风电高强度螺栓扭矩系数选用的探讨

张凌宝，赵鹏

（锋电能源技术有限公司，北京 100080）

0 引言

随着风力发电产业在国内的迅猛发展，风电用高强度螺栓逐渐显现出它的重要性。近几年各地风电场出现不同程度的风电机组坠头甚至倒塌事故，造成了重大的财产损失，不仅对风电设备生产商、风电场业主造成影响，也更加影响到整个国产风电机组行业的质量信誉。其中，由于螺栓预紧力不足，造成螺栓松动，机组运行振动过大，螺栓在长期高频振动下，剪切断裂，最终造成重大事故的比例较大。究其原因，一是螺栓本身质量不过关，设计制造过程中出现问题；另外一个就是机组在安装及维护过程中螺栓预紧力不足，运行过程中螺栓松动造成的。本文主要针对机械性能满足GB/T 3098.1的高强度螺栓的预紧力矩进行详细分析，对螺栓扭矩系数的选用进行探讨。

1 国内外扭矩系数的选用标准比较

国内比较普遍使用的螺栓扭矩简便算法：MA=K×Fp×d

其中预紧力Fp=0.7×As×σp0.2

式中：

MA—预紧力矩，N·m；

Fp—预紧力，KN；

K—扭矩系数；

d—螺栓公称直径，mm；

As—螺纹公称应力截面积，mm2；

σp0.2—螺栓材料屈服强度，N/ mm2。

通过分析以上算法，预紧力是螺纹公称应力截面积As与螺栓材料屈服强度σp0.2乘积的0.7倍，这一预紧力必须通过旋转螺母产生或者通过螺栓头与垫圈适当润滑得出[2]。考虑到螺栓的强度，一般规定拧紧后的螺纹联接件预紧应力不得大于其材料屈服强度σp0.2的80%，另据国外针对预紧力消耗、衰减的研究，提出预紧力达到其材料屈服强度σp0.2的80%。预紧力一定时，扭矩系数K的变化直接影响预紧力矩的大小。预紧力矩过大，增大工具磨损、操作的危险性，预紧力矩过小，松动力矩必然会小[3]，螺栓易松动，大大降低风电机组的可靠性，达不到设计预紧效果。对于预紧力，在VDI 2230标准中指出根据典型的摩擦系数μG≈0.14，实际组件预载大约损失10%。同时，在VDI 2230中还指出螺栓连接件的装配预紧力主要受到下述影响：

①周围区域中其他螺栓的紧固

②接触表面的预埋

③自松动的旋转

④材料的松弛

⑤温度的变化

⑥接头的过载

⑦连接件（螺栓、螺母、夹紧件）的几何形状

⑧连接件的强度

⑨紧固工具

另外，在估计摩擦系数时出现错误、摩擦系数的分散、不同的紧固技术，以及仪器、操作和读数错误都或多或少地导致相当的装配预紧力的分散，这就要求对于预紧力进行科学、严格的控制。

风电作为一个新能源产业，风电高强度螺栓世界范围内还没有完善的专业标准来规范使用，但是根据相关行业的使用经验，也可以为我们提供一个合理的参考依据。针对预紧力矩的确定，目前国内所使用的方法繁多，归纳主要有以下几种：一是直接根据标准中给定的扭矩系数K，加以计算或试验获得相关预紧力矩；二是根据螺栓的摩擦系数μ，直接选用标准中规定的预紧力矩；三是根据螺栓规格直接选用相应的预紧力矩；四是根据螺栓制造商试验获得；最常用到的根据扭矩系数K确定预紧扭矩的标准有GB/T 1231、DIN EN 14399；根据摩擦系数μ的标准有JG/T 5057.40；直接选用的标准有DAStRichtlinie 021（M39-M64）。以上几种方法获得的扭矩系数K却有着较大的差别。例如，根据GB/T 1231规定，扭矩系数K在0.110～0.150；根据DAStRichtlinie 021计算获得扭矩系数K在0.14～0.16；螺栓制造商试验及国内外经验获得的通过润滑螺纹及支撑面，扭矩系数K在0.08～0.13[9]。相应的预紧扭矩也是千差万别。

2 扭矩系数K影响因素

对于扭矩系数K（以下简称K值），是一个确定的常数，具体数值为经验值或试验确定，影响K值的重要因素当属螺栓的摩擦情况，关于螺栓摩擦主要的反映为摩擦系数，螺栓的摩擦系数包括螺纹摩擦系数（μs）和支撑面摩擦系数（μw）(螺母或螺栓的支撑面与被连接件表面间的摩擦系数)，我们国家现有标准GB/T 16823.2－1997就有相关计算方法，具体公式列出以供探讨：

式中：

Tf—预紧扭矩，N·m；

Ts—螺纹扭矩，N·m；

Tw—支撑面扭矩，N·m；

K—扭矩系数；

Ff—预紧力，KN；

d—螺纹公称直径，mm；

d2—螺纹中径，mm；

α´—螺纹牙侧角；

dh—接触的支撑面内径，mm；

dw—接触的支撑面外径，mm；

μs—螺纹摩擦系数；

μw—支撑面摩擦系数；

Dw—支撑面摩擦扭矩的等效直径，mm；P—螺距，mm。

表1 螺纹摩擦系数（μs）、支撑面摩擦系数（μw）和扭矩系数（K）的对照表

通过式（1）我们可以看出，螺栓预紧扭矩由螺纹、扭矩和支撑面扭矩共同组成，根据有关试验资料[12]显示：作用在螺栓或螺母支撑面的力矩消耗约占45%－50%，作用在螺纹面力矩消耗约占35%－40%，剩下的10%－20%转化为螺栓预紧力，说明支撑面力矩消耗对预紧力的转化影响甚重。国内风电企业现在对于这方面的理解存在差异，所采取的润滑方法主要为：一是螺纹润滑，二是螺纹加支撑面润滑。

根据GB/T 16823.2－1997提供的螺纹摩擦系数（μs）、支撑面摩擦系数（μw）和扭矩系数（K）的对照表（如表1所示），可以更加直观地理解三者的关联。

针对VDI2230的相关要求，通过表1不难看出，螺纹摩擦系数（μs）和支撑面摩擦系数（μw）均小于K值，当综合摩擦系数μ≈0.14时，K≥0.16；对于高强度螺栓的摩擦系数应满足表3中A、B级的相关要求。结合国外标准对螺栓摩擦系数的要求，目前国内有一种观点，即摩擦系数（包括螺纹摩擦系数、支撑面摩擦系数及综合摩擦系数）在0.07～0.12[12]之间选取，摩擦系数超过0.12，则预紧力矩过大，易造成联接损坏；摩擦系数小于0.07，则预紧力矩过小，易造成联接松动，而在这一范围内被认为是合理、可靠的。针对这一观点，结合表1、表2推算，K值应在0.10～0.16之间，与目前GB/T 1231规定的0.110～0.150有所差别，但是符合DIN EN 14399－4:2006－06《预加负荷用高强度结构螺栓组件－第4部分HV系统－六角螺栓螺母组件》中的要求。对于K值在风电高强度螺栓上的应用，前面的范围显得过于宽泛，以K=0.10为例，M36－10.9高强度螺栓的力矩为MA=K×Fp×d=0.1×510×36=1836；K=0.16，MA=K×Fp×d=0.16×510×36=2937.6，二者相差非常悬殊，这势必造成具体实施时K值的选用困难，所以针对风电高强度螺栓应给出更加合理的范围。根据目前国外几个常用高强度螺栓标准的对比，由表4计算得出K值在0.14～0.16范围内，扭矩系数标准偏差小于等于0.01，对于规格大于M36的高强度螺栓，根据DAStRichtlinie 021计算获得K值0.14～0.16，扭矩系数标准偏差小于等于0.01，这说明国外对于高强度螺栓的K值趋于一个稳定、合理的范围。

3 结论

针对目前用到的风电高强度螺栓的预紧扭矩，可以直接根据标准推荐值选用，我们在这里讨论扭矩系数（K）的意义在于：希望通过本文的探讨，明晰扭矩系数（K）与摩擦系数之间的关系，根据对国外风电高强度螺栓的相关标准分析，提出风电高强度螺栓实际应用的扭矩系数（K）范围可精确到0.14～0.16，扭矩系数标准偏差小于等于0.01，以此为同行提供参考；对于不同国家或者地区，对于螺栓预紧有着不同的要求，并且扭矩系数（K）还需要试验数据作为参考依据，而且随着风电机组容量的增大，对于更大规格高强度螺栓预紧力矩要求也迫在眉睫，希望及早颁布关于风电高强度螺栓的国家标准或行业标准，服务企业，促进行业规范、健康发展。

表2 螺纹摩擦系数（μth）、支撑面摩擦系数（μb）和扭矩系数（K）的对照表

表3 不同材料/表面及润滑状态时螺栓连接的摩擦系数等级分类指导值

表4 强度等级为10.9级的组件扭矩程序、动量矩程序、转向角程序和组合预应力程序的预应力和拧紧扭矩

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