螺栓紧固的扭矩系数与标准偏差

荣　飞

（顺益体系(集团），广东 珠海 519020）



螺栓紧固的扭矩系数与标准偏差

荣飞

（顺益体系(集团），广东 珠海 519020）

摘 要：简要介绍了扭矩系数、标准偏差与螺栓紧固的关系，并对影响扭矩系数的主要因素加以分析。

关键词：扭矩系数；标准偏差；润滑剂；影响因素

一、螺栓紧固安装方法简介

目前国标中或行业中经常接触的螺栓紧固安装的4种方法是扭矩法、转角法、扭矩斜率法、拉伸法4种方法，最常用的安装方法还是扭矩法，因其操作简便、易于掌握。扭矩法中主要是要确定扭矩系数与标准偏差。扭矩法是在弹性范围内安装，损耗很大，表面摩擦、螺纹间的摩擦损耗了大量的安装扭矩，真正转化为紧固轴力的大约只占安装扭矩的10%左右（图1）。

图1

二、试验室测试扭矩系数及标准偏差方法

试验室做高强螺栓扭矩系数的程序是这样的：在试验台上卡固被测螺栓，用扭矩扳手逐步拧紧螺栓（螺母），观察轴力检测仪上的读数，确定所施加的轴力数值满足设计预拉力规定范围的下限，然后在扭矩扳手头部加装传感器，再缓慢施加扭矩（施工扭矩），最终可以在预拉力取值范围内通过传感器在施工扭矩测试仪上读出施工扭矩值，仪器自动保存以上两个数据。按以上步骤做完8套试件，测试仪自动计算出扭矩系数平均值和标准偏差值。

三、扭矩系数与标准偏差对螺栓安装紧固的影响（图2）

图2

扭矩、预紧力及扭矩系数三者之间的关系：

T=k・F・d

式中：T——扭矩，N・m；

k——扭矩系数（也称总摩擦系数）；

F——预紧力（轴向张力），kN；

d——螺纹的公称直径，mm。

从公式可以看出：在扭矩T恒定，直径d恒定，螺栓极限强度恒定的情况下，k越小，产生的预紧力F越大。那么是否k越小越好呢？

当扭矩系数小到一定的程度，在一定的扭矩的作用下，紧固力超过了螺栓的强度极限，高强度螺栓就会产生伸长甚至断头的现象；反之，扭矩系数过大，则产生的紧固力就会过小，螺栓连接副达不到预紧的功能，就可能产生松动情况。因此，要使紧固力在一个标准的范围内，则产品的扭矩系数就要限定在一个规定的范围内。

如果扭矩系数偏大，但标准偏差≤0.01，安装时要增加扭矩，安装时费力，但不会出现过拧或松动现象。因此，从某种角度来讲，标准偏差比扭矩系数更加重要。

扭矩系数和标准偏差是安装中不可分割的两个重要参数。目前国标GB/T1231-2000对钢结构用高强度螺栓连接副作了标准规定，扭矩系数k =0.11～0.15，标准偏差≤0.01。

从某种角度来讲，标准偏差比扭矩系数更加重要。因此，企业实际使用时，一般标准偏差≤0.01这个条件不会放松。而扭矩系数k =0.11～0.15这个条件却可以放宽。如某风电厂就要求扭矩系数值控制在0.08～0.12，扭矩系数均值控制在0.09～0.12之间。

四、扭矩系数的主要影响因素

影响扭矩系数的因素主要有：摩擦表面的状况、润滑剂的类型、润滑剂的不同涂抹部位等。以下对通过实验取得的大量测试数据加以对比分析。

1.摩擦表面的状况

加工精度越高，扭矩系数越小（扭矩系数相当于总摩擦系数）；润滑状态越好，扭矩系数越小。

表面状况对扭矩系数的影响非常大，直接关系到安装扭矩及紧固轴力，一般情况下，润滑后，扭矩系数可下降20%到50%，甚至可以下降80%以上，对紧固件影响很大，如表1所示。

2.不同类型润滑剂对扭矩系数的影响

从表1可看出，用了润滑剂后，扭矩系数直线下降。而不同类型的润滑剂下降的幅度也大不相同，如表2所示。

3.不同的涂抹部位，对扭矩系数的影响

（1）只在螺栓与螺母的螺纹上涂润滑剂（垫圈上不涂）。

其测试数据如表3所示。

（2）除在螺栓与螺母的螺纹上涂润滑剂，还在垫圈的平面上涂。

扭矩系数明显下降，实验结果如表4所示。

表1　各种表面状况的扭矩系数

表2　不同类型润滑剂对扭矩系数影响

表3　只在螺栓与螺母涂润滑剂的扭矩系数检测报告

表4　螺栓螺母垫圈涂润滑剂检测报告

可见在垫圈上涂润滑剂很有必要，能大幅降低扭矩系数。除此之外，还有一个易被忽视的因素，因涂抹方便，往往只在螺栓螺纹处和垫圈上涂，以为螺母在装配时自然会沾到润滑剂，而不会在螺母螺纹处全面涂抹。

（3）对于减小扭矩系数来说，其实螺母的润滑比螺栓的润滑更重要。

以下是两组数据的对比：一组是在螺栓、垫圈上涂润滑剂，螺母点涂润滑剂的扭矩系数测试结果（表5）。

另一组是在螺栓、垫圈上涂润滑剂，螺母螺纹处全面涂抹润滑剂的扭矩系数测试结果（表6）。

对表5、表6两组数据进行对比分析：同一种产品，同一种润滑剂，后面一组产品与前面不同的是在螺母螺纹孔全面涂装，扭矩系数明显下降，降幅比较大。说明螺母润滑对扭矩系数下降起了很大作用，通过反复实验，证实了对于扭矩系数的减小，螺母的润滑比螺栓的更重要。

表5　螺栓、垫圈涂润滑剂，螺母点涂润滑剂的扭矩系数报告

表6　螺栓螺母垫片润滑状态良好情况下的扭矩系数

五、高强度螺栓安装时润滑剂的涂抹实例

以下是北京中能联创风电技术有限公司的《螺栓现场施工管理》高强度螺栓安装中连接副润滑膏涂抹的有关内容及注意事项。

高强度螺栓连接副安装前，应在螺栓和螺母的螺纹旋合面、螺母和垫圈的摩擦结合面涂抹润滑膏（或是螺栓头与垫圈的摩擦结合面，若连接时转动的是螺栓）。润滑膏用毛刷均匀涂抹些许即可（图3、4）。

图3

图4

润滑膏常规采用XX品牌的固体润滑剂油膏。

操作者按规定领取润滑剂和涂抹工具，如需更换润滑剂，必须征得项目公司和集团公司的许可，并重新进行扭矩系数的测定。

装配时，螺栓头侧及螺母侧应各置1个垫圈，安装时应注意方向的正确，垫圈有内倒角的一侧应分别朝向螺栓头和螺母支承面，螺母的支承面是指非标记的一面。将螺母装在螺栓上后，用手带紧。

六、结语

了解了影响扭矩系数的主要因素后，进行测试时确保采用与实际安装时相同的涂抹润滑剂方式及部位。从而让测试数据在实际紧固安装时具有更加真实的指导意义。

收稿日期：（2016-01-06）

中图分类号：TB96

文献标识码：B

文章编号：1671-0711（2016）02-0042-03