高温小规格螺栓拧紧力矩研究

倪剑， 周勇， 钱勇

（东方电气集团东方汽轮机有限公司， 四川德阳， 618000）

0 前言

汽轮机属于高温运行设备， 汽轮机汽缸、 汽封体、 阀门等高温部件的密封[1]都离不开螺栓， 而在冷态安装时都需要对这些螺栓进行预紧， 以保证这些高温部件的密封面在热态时产生足够的密封应力， 避免出现漏汽情况。 螺栓预紧的轴向力通常通过控制拧紧力矩法或转角法来实现[2]，公司对于M56 及以上的米制螺栓和2-8UN 及以上的美制螺栓都设计了加热孔， 这些螺栓在冷态安装时需要进行螺栓热紧[3]， 而热紧应力则通过螺栓伸长量和螺母旋转角度控制， 对于M56 及2-8UN 以下规格螺栓则根据实际情况进行拧紧力矩控制。

常规火电汽轮机绝大部分时间都处于额定负荷工况， 极少出现部分负荷， 并且生命周期内启停次数较少， 而类似光热汽轮机或空气透平等机组因为特殊的能量来源和工作特性而需要频繁启停以及非常多的部分负荷工况， 部分负荷工况会使螺栓工作环境温度上升， 频繁启停对螺栓的疲劳寿命考验巨大。 常见的小螺栓拧紧力矩推荐值一般只适应冷态的工作环境， 而工作环境为高温的螺栓则不适应。 如果通过拧紧力矩法获得的冷紧拧紧力矩值较小， 则会造成漏汽， 影响机组的安全性或经济性， 如果拧紧力矩值较大， 螺栓在工作时承受较大内应力， 啮合的螺纹产生屈服，长时间频繁启停会造成螺栓产生裂纹从而断裂[4]，这将给机组带来极大的安全隐患， 故研究高温的小螺栓拧紧力矩是否合理则显得格外重要。

1 螺栓受力分析

本次分析的螺栓选择规格为M20×75， 材质为25Cr2MoVA-5/685 的国标螺栓， M20 的螺栓属于汽轮机汽封体上常使用的螺栓规格， 材质25Cr2MoVA 可使用的温度高达510 ℃， 螺母材质为 35CrMoA-5/590， 35CrMoA 使用温度达 510 ℃，法兰材质为 ZG15Cr1Mo1-1+7/345， ZG15Cr1Mo1使用温度可达540 ℃。 此次分析仅考虑螺栓拧紧后的一次应力以及螺栓在高温预紧状态下的二次应力， 不考虑密封体内外面压差等原因产生的其他应力， 螺栓拧紧后状态见图1。

图1 螺栓安装状态图

1.1 理论公式分析

螺纹连接中的拧紧力矩由螺纹螺旋副摩擦阻力矩和支撑面摩擦阻力矩组成[5]，见式（1~2）。

式中： T1为螺纹螺旋副摩擦阻力矩； T2为支撑面摩擦阻力矩； FQ为螺纹连接轴向预紧力； d2为螺栓中径； λ 为螺纹螺旋升角； μt为螺纹摩擦系数；β 为螺纹牙型半角； μs为支撑面摩擦系数； dw为螺母支撑面外径； d0为螺母支撑面内径。

整理式（1~2）可得：

公司螺栓在拧紧时均会涂抹防咬合剂， 根据相关试验数据 μt取 0.10， μs取 0.12[1]，λ 值取 2.48°，β 值取 30°。

对于强度685 MPa 的M20 螺栓， 公司标准推荐拧紧力矩值为280~340 N·m， dw值取32 mm，d0值取 22 mm， 通过计算 FQ值为90.7~110.2 kN，由此可知冷紧状态下螺栓最小截面应力σ 为386~469 MPa。

1.2 有限元分析

建立螺栓、 螺母、 法兰的三维模型， 由于螺栓冷态拧紧后受力状态和热态工作时应力状态以及材料的特性差异较大， 故分两步进行分析计算。

（1）对模型施加边界条件

接触： 螺母和螺栓螺纹之间、 螺栓和汽封体螺纹之间、 螺母和汽封体、 汽封体上下半间分别定义接触， 见图 2（a）；

约束： 螺栓端面施加约束， 见图 2（b）；

载荷： 载荷分两步施加， 第一步对螺栓施加预紧力， 预紧力为1.1 节中FQ值， 取最大110.2 kN， 见图 2（c）， 同时为了进行螺栓小力矩受力情况的对比， 取拧紧力矩值为200 N·m 对应的FQ值64.8 kN 同时计算， 第二步对螺栓、 汽封体、 螺母施加温度场， 由于试验用汽封体及螺栓体积较小，故可认为其温度场均匀且为 500 ℃， 见图 2

图2 边界条件

（2）对模型进行计算

计算结果见图 3~4， 从图 3（a）、 图 4（a）可以看出力矩为340 N·m 和200 N·m 的螺栓冷态时应力最大点均位于靠近螺栓中部的上下螺纹处， 340 N·m 拧紧力矩对应螺栓最大等效应力值为569.9 MPa， 200 N·m 拧紧力矩对应螺栓最大等效应力值为 565.9 MPa， 而从图 3（b）、图 4（b）可以看出冷态时340 N·m 拧紧力矩对应的螺栓部分螺纹出现最大1.5‰的塑性变形[6]，而200 N·m 拧紧力矩对应的螺栓则未出现明显塑性变形， 仅0.017‰。 当2 种螺栓分别施加相应温度场后， 大力矩的螺栓屈服面积迅速扩大， 局部出现最大1%的明显塑性变形， 而小力矩的螺栓只出现最大0.85‰的塑性变形， 预紧力和温度场加载过程中2 组螺栓的应力和塑性变形曲线见图5。

图3 340 N·m 螺栓应力应变图

2 试验方案及试验结果分析

为了和有限元进行对比， 本次试验采取两组试验件， 分别按 340 N·m 和 200 N·m 的拧紧力矩值对其预装配拧紧， 然后放进电加热炉进行高温试验， 冷却后再进行拆卸检验分析。

2.1 预装配

试验采取两组大小一样的试验件， 试验步骤如下：

（1）分别给两组螺栓施加50 N·m 的初始力矩，消除汽封体中分面间隙（0.03 mm 不入）；

（2）1# 螺栓按 340 N·m 的力矩拧紧， 2# 螺栓按200 N·m 的力矩拧紧。

2.2 高温试验

进行2 组法兰螺栓试验组件高温试验[7]， 每组试验组件含： 1 件M20 螺栓， 材质25Cr2MoVA-5/685， 1 件 M20 罩螺母， 材质为 35CrMoA-5/590、1 件通孔法兰试样、 1 件通螺纹法兰试样， 法兰材质为ZG15Cr1Mo1-1+7/345。

试验方法： 采用普通炉进行试验， 室温装炉，60 min 升温至要求的保温温度 （500 ℃）， 保温60 min 后采用2~3 bar 氮气进行冷却至100 ℃或以下。

2.3 试验结果分析

试验后试件见图6， 在螺栓拆除过程中， 发现1#试验件的罩螺母已经和螺栓咬死， 应该是螺纹连接部分产生较大变形， 导致螺纹旋转失效， 最后通过机械加工的方式去除罩螺母， 并严格控制不伤及螺栓， 而2#试验件则没有类似情况。 两组试验件将法兰试样拆卸后， 发现1#螺栓与法兰试样连接的螺纹有部分螺牙损坏， 对2 组螺栓表面氧化皮清理后分别进行MT 及PT 探伤， 其中1#螺栓MT 探伤后螺牙根部存在约5 mm 线性显示，判断为小裂纹[8]， PT 探伤无缺陷，2#螺栓MT 及PT探伤均无超标缺陷， 见图7。

图6 高温试验后法兰螺栓试验组件

图7 螺栓无损探伤

通过试验可以看出， 拧紧力矩为340 N·m 的螺栓螺牙部分已经出现破坏， 其中和法兰连接部分螺纹出现线性裂纹， 而和罩螺母连接部分因为变形较大出现螺纹咬死情况， 说明过大的拧紧力矩在高温状态下对螺纹产生不可逆的破坏， 而力矩为200 N·m 的螺栓则基本完好， 说明200 N·m的拧紧力矩是保持螺栓不被破坏较合适的值， 这个结果则和有限元计算能较好吻合。

大力矩拧紧的螺栓在冷态时虽然未出现明显的塑性变形， 但是在高温状态下， 其屈服强度迅速从588 MPa 降至409 MPa， 螺栓内部应力虽然没有太大变化， 但是却远远超过了材料的屈服强度， 从试验结果可以看出其对螺栓已经造成一定损伤， 而小力矩拧紧的螺栓在冷态时应力值则较小， 在高温环境下也未产生明显的塑性变形， 从试验结果可以看出其并未对螺栓造成损伤。

3 结语

通过上述有限元分析和试验验证结果可以看出， 工作环境为高温的小规格螺栓其拧紧力矩不能采用工作环境为冷态的推荐拧紧力矩值， 对于实际工程中仍采用经验方法安装的高温小螺栓，由于大部分螺栓在选材时留有较大的安全余量，其螺栓材料实际的耐受温度往往远高于实际使用温度， 故并未出现大范围螺栓断裂情况， 但是部分螺栓仍出现了断裂以及检修时发现螺纹咬死的情况， 对于选材温度接近实际使用温度的螺栓其安全性将无法得到保障， 故必须通过计算重新评估其适合的拧紧力矩值， 才能防止螺栓被破坏，进而保证设备的安全性。 特别对于光热汽轮机[9]、储能式空气透平等需要频繁启停的机组， 其长期冷热交替的工作环境将对螺栓造成额外损伤， 具体损伤还需进一步研究。 本文研究的内容还未考虑汽封体本身密封反力造成的螺栓应力加成以及螺栓在高温时的蠕变[10]情况， 虽然本次试验件保温时间只有1 h， 但是理论上螺栓已经产生了蠕变，其对试验结果的影响还需进一步研究。