倪劍， 周勇， 錢(qián)勇

（東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司， 四川德陽(yáng)， 618000）

0 前言

汽輪機(jī)屬于高溫運(yùn)行設(shè)備， 汽輪機(jī)汽缸、 汽封體、 閥門(mén)等高溫部件的密封[1]都離不開(kāi)螺栓， 而在冷態(tài)安裝時(shí)都需要對(duì)這些螺栓進(jìn)行預(yù)緊， 以保證這些高溫部件的密封面在熱態(tài)時(shí)產(chǎn)生足夠的密封應(yīng)力， 避免出現(xiàn)漏汽情況。 螺栓預(yù)緊的軸向力通常通過(guò)控制擰緊力矩法或轉(zhuǎn)角法來(lái)實(shí)現(xiàn)[2]，公司對(duì)于M56 及以上的米制螺栓和2-8UN 及以上的美制螺栓都設(shè)計(jì)了加熱孔， 這些螺栓在冷態(tài)安裝時(shí)需要進(jìn)行螺栓熱緊[3]， 而熱緊應(yīng)力則通過(guò)螺栓伸長(zhǎng)量和螺母旋轉(zhuǎn)角度控制， 對(duì)于M56 及2-8UN 以下規(guī)格螺栓則根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行擰緊力矩控制。

常規(guī)火電汽輪機(jī)絕大部分時(shí)間都處于額定負(fù)荷工況， 極少出現(xiàn)部分負(fù)荷， 并且生命周期內(nèi)啟停次數(shù)較少， 而類(lèi)似光熱汽輪機(jī)或空氣透平等機(jī)組因?yàn)樘厥獾哪芰縼?lái)源和工作特性而需要頻繁啟停以及非常多的部分負(fù)荷工況， 部分負(fù)荷工況會(huì)使螺栓工作環(huán)境溫度上升， 頻繁啟停對(duì)螺栓的疲勞壽命考驗(yàn)巨大。 常見(jiàn)的小螺栓擰緊力矩推薦值一般只適應(yīng)冷態(tài)的工作環(huán)境， 而工作環(huán)境為高溫的螺栓則不適應(yīng)。 如果通過(guò)擰緊力矩法獲得的冷緊擰緊力矩值較小， 則會(huì)造成漏汽， 影響機(jī)組的安全性或經(jīng)濟(jì)性， 如果擰緊力矩值較大， 螺栓在工作時(shí)承受較大內(nèi)應(yīng)力， 嚙合的螺紋產(chǎn)生屈服，長(zhǎng)時(shí)間頻繁啟停會(huì)造成螺栓產(chǎn)生裂紋從而斷裂[4]，這將給機(jī)組帶來(lái)極大的安全隱患， 故研究高溫的小螺栓擰緊力矩是否合理則顯得格外重要。

1 螺栓受力分析

本次分析的螺栓選擇規(guī)格為M20×75， 材質(zhì)為25Cr2MoVA-5/685 的國(guó)標(biāo)螺栓， M20 的螺栓屬于汽輪機(jī)汽封體上常使用的螺栓規(guī)格， 材質(zhì)25Cr2MoVA 可使用的溫度高達(dá)510 ℃， 螺母材質(zhì)為 35CrMoA-5/590， 35CrMoA 使用溫度達(dá) 510 ℃，法蘭材質(zhì)為 ZG15Cr1Mo1-1+7/345， ZG15Cr1Mo1使用溫度可達(dá)540 ℃。 此次分析僅考慮螺栓擰緊后的一次應(yīng)力以及螺栓在高溫預(yù)緊狀態(tài)下的二次應(yīng)力， 不考慮密封體內(nèi)外面壓差等原因產(chǎn)生的其他應(yīng)力， 螺栓擰緊后狀態(tài)見(jiàn)圖1。

圖1 螺栓安裝狀態(tài)圖

1.1 理論公式分析

螺紋連接中的擰緊力矩由螺紋螺旋副摩擦阻力矩和支撐面摩擦阻力矩組成[5]，見(jiàn)式（1~2）。

式中： T1為螺紋螺旋副摩擦阻力矩； T2為支撐面摩擦阻力矩； FQ為螺紋連接軸向預(yù)緊力； d2為螺栓中徑； λ 為螺紋螺旋升角； μt為螺紋摩擦系數(shù)；β 為螺紋牙型半角； μs為支撐面摩擦系數(shù)； dw為螺母支撐面外徑； d0為螺母支撐面內(nèi)徑。

整理式（1~2）可得：

公司螺栓在擰緊時(shí)均會(huì)涂抹防咬合劑， 根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù) μt取 0.10， μs取 0.12[1]，λ 值取 2.48°，β 值取 30°。

對(duì)于強(qiáng)度685 MPa 的M20 螺栓， 公司標(biāo)準(zhǔn)推薦擰緊力矩值為280~340 N·m， dw值取32 mm，d0值取 22 mm， 通過(guò)計(jì)算 FQ值為90.7~110.2 kN，由此可知冷緊狀態(tài)下螺栓最小截面應(yīng)力σ 為386~469 MPa。

1.2 有限元分析

建立螺栓、 螺母、 法蘭的三維模型， 由于螺栓冷態(tài)擰緊后受力狀態(tài)和熱態(tài)工作時(shí)應(yīng)力狀態(tài)以及材料的特性差異較大， 故分兩步進(jìn)行分析計(jì)算。

（1）對(duì)模型施加邊界條件

接觸： 螺母和螺栓螺紋之間、 螺栓和汽封體螺紋之間、 螺母和汽封體、 汽封體上下半間分別定義接觸， 見(jiàn)圖 2（a）；

約束： 螺栓端面施加約束， 見(jiàn)圖 2（b）；

載荷： 載荷分兩步施加， 第一步對(duì)螺栓施加預(yù)緊力， 預(yù)緊力為1.1 節(jié)中FQ值， 取最大110.2 kN， 見(jiàn)圖 2（c）， 同時(shí)為了進(jìn)行螺栓小力矩受力情況的對(duì)比， 取擰緊力矩值為200 N·m 對(duì)應(yīng)的FQ值64.8 kN 同時(shí)計(jì)算， 第二步對(duì)螺栓、 汽封體、 螺母施加溫度場(chǎng)， 由于試驗(yàn)用汽封體及螺栓體積較小，故可認(rèn)為其溫度場(chǎng)均勻且為 500 ℃， 見(jiàn)圖 2

圖2 邊界條件

（2）對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖 3~4， 從圖 3（a）、 圖 4（a）可以看出力矩為340 N·m 和200 N·m 的螺栓冷態(tài)時(shí)應(yīng)力最大點(diǎn)均位于靠近螺栓中部的上下螺紋處， 340 N·m 擰緊力矩對(duì)應(yīng)螺栓最大等效應(yīng)力值為569.9 MPa， 200 N·m 擰緊力矩對(duì)應(yīng)螺栓最大等效應(yīng)力值為 565.9 MPa， 而從圖 3（b）、圖 4（b）可以看出冷態(tài)時(shí)340 N·m 擰緊力矩對(duì)應(yīng)的螺栓部分螺紋出現(xiàn)最大1.5‰的塑性變形[6]，而200 N·m 擰緊力矩對(duì)應(yīng)的螺栓則未出現(xiàn)明顯塑性變形， 僅0.017‰。 當(dāng)2 種螺栓分別施加相應(yīng)溫度場(chǎng)后， 大力矩的螺栓屈服面積迅速擴(kuò)大， 局部出現(xiàn)最大1%的明顯塑性變形， 而小力矩的螺栓只出現(xiàn)最大0.85‰的塑性變形， 預(yù)緊力和溫度場(chǎng)加載過(guò)程中2 組螺栓的應(yīng)力和塑性變形曲線(xiàn)見(jiàn)圖5。

圖3 340 N·m 螺栓應(yīng)力應(yīng)變圖

2 試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果分析

為了和有限元進(jìn)行對(duì)比， 本次試驗(yàn)采取兩組試驗(yàn)件， 分別按 340 N·m 和 200 N·m 的擰緊力矩值對(duì)其預(yù)裝配擰緊， 然后放進(jìn)電加熱爐進(jìn)行高溫試驗(yàn)， 冷卻后再進(jìn)行拆卸檢驗(yàn)分析。

2.1 預(yù)裝配

試驗(yàn)采取兩組大小一樣的試驗(yàn)件， 試驗(yàn)步驟如下：

（1）分別給兩組螺栓施加50 N·m 的初始力矩，消除汽封體中分面間隙（0.03 mm 不入）；

（2）1# 螺栓按 340 N·m 的力矩?cái)Q緊， 2# 螺栓按200 N·m 的力矩?cái)Q緊。

2.2 高溫試驗(yàn)

進(jìn)行2 組法蘭螺栓試驗(yàn)組件高溫試驗(yàn)[7]， 每組試驗(yàn)組件含： 1 件M20 螺栓， 材質(zhì)25Cr2MoVA-5/685， 1 件 M20 罩螺母， 材質(zhì)為 35CrMoA-5/590、1 件通孔法蘭試樣、 1 件通螺紋法蘭試樣， 法蘭材質(zhì)為ZG15Cr1Mo1-1+7/345。

試驗(yàn)方法： 采用普通爐進(jìn)行試驗(yàn)， 室溫裝爐，60 min 升溫至要求的保溫溫度 （500 ℃）， 保溫60 min 后采用2~3 bar 氮?dú)膺M(jìn)行冷卻至100 ℃或以下。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)后試件見(jiàn)圖6， 在螺栓拆除過(guò)程中， 發(fā)現(xiàn)1#試驗(yàn)件的罩螺母已經(jīng)和螺栓咬死， 應(yīng)該是螺紋連接部分產(chǎn)生較大變形， 導(dǎo)致螺紋旋轉(zhuǎn)失效， 最后通過(guò)機(jī)械加工的方式去除罩螺母， 并嚴(yán)格控制不傷及螺栓， 而2#試驗(yàn)件則沒(méi)有類(lèi)似情況。 兩組試驗(yàn)件將法蘭試樣拆卸后， 發(fā)現(xiàn)1#螺栓與法蘭試樣連接的螺紋有部分螺牙損壞， 對(duì)2 組螺栓表面氧化皮清理后分別進(jìn)行MT 及PT 探傷， 其中1#螺栓MT 探傷后螺牙根部存在約5 mm 線(xiàn)性顯示，判斷為小裂紋[8]， PT 探傷無(wú)缺陷，2#螺栓MT 及PT探傷均無(wú)超標(biāo)缺陷， 見(jiàn)圖7。

圖6 高溫試驗(yàn)后法蘭螺栓試驗(yàn)組件

圖7 螺栓無(wú)損探傷

通過(guò)試驗(yàn)可以看出， 擰緊力矩為340 N·m 的螺栓螺牙部分已經(jīng)出現(xiàn)破壞， 其中和法蘭連接部分螺紋出現(xiàn)線(xiàn)性裂紋， 而和罩螺母連接部分因?yàn)樽冃屋^大出現(xiàn)螺紋咬死情況， 說(shuō)明過(guò)大的擰緊力矩在高溫狀態(tài)下對(duì)螺紋產(chǎn)生不可逆的破壞， 而力矩為200 N·m 的螺栓則基本完好， 說(shuō)明200 N·m的擰緊力矩是保持螺栓不被破壞較合適的值， 這個(gè)結(jié)果則和有限元計(jì)算能較好吻合。

大力矩?cái)Q緊的螺栓在冷態(tài)時(shí)雖然未出現(xiàn)明顯的塑性變形， 但是在高溫狀態(tài)下， 其屈服強(qiáng)度迅速?gòu)?88 MPa 降至409 MPa， 螺栓內(nèi)部應(yīng)力雖然沒(méi)有太大變化， 但是卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了材料的屈服強(qiáng)度， 從試驗(yàn)結(jié)果可以看出其對(duì)螺栓已經(jīng)造成一定損傷， 而小力矩?cái)Q緊的螺栓在冷態(tài)時(shí)應(yīng)力值則較小， 在高溫環(huán)境下也未產(chǎn)生明顯的塑性變形， 從試驗(yàn)結(jié)果可以看出其并未對(duì)螺栓造成損傷。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述有限元分析和試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果可以看出， 工作環(huán)境為高溫的小規(guī)格螺栓其擰緊力矩不能采用工作環(huán)境為冷態(tài)的推薦擰緊力矩值， 對(duì)于實(shí)際工程中仍采用經(jīng)驗(yàn)方法安裝的高溫小螺栓，由于大部分螺栓在選材時(shí)留有較大的安全余量，其螺栓材料實(shí)際的耐受溫度往往遠(yuǎn)高于實(shí)際使用溫度， 故并未出現(xiàn)大范圍螺栓斷裂情況， 但是部分螺栓仍出現(xiàn)了斷裂以及檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)螺紋咬死的情況， 對(duì)于選材溫度接近實(shí)際使用溫度的螺栓其安全性將無(wú)法得到保障， 故必須通過(guò)計(jì)算重新評(píng)估其適合的擰緊力矩值， 才能防止螺栓被破壞，進(jìn)而保證設(shè)備的安全性。 特別對(duì)于光熱汽輪機(jī)[9]、儲(chǔ)能式空氣透平等需要頻繁啟停的機(jī)組， 其長(zhǎng)期冷熱交替的工作環(huán)境將對(duì)螺栓造成額外損傷， 具體損傷還需進(jìn)一步研究。 本文研究的內(nèi)容還未考慮汽封體本身密封反力造成的螺栓應(yīng)力加成以及螺栓在高溫時(shí)的蠕變[10]情況， 雖然本次試驗(yàn)件保溫時(shí)間只有1 h， 但是理論上螺栓已經(jīng)產(chǎn)生了蠕變，其對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響還需進(jìn)一步研究。