M20-M56钢管塔法兰螺栓紧固的定扭矩扳手研究与探讨

皖电东送淮南至上海特高压交流输电示范工程一般线路工程是一条特高压双回输电线路，铁塔全部采用钢管塔，铁塔平均高度为110m、单基平均重量为180t，钢管塔主材全部采用法兰连接。在浙北-沪西段已经完工的铁塔法兰螺栓紧固过程中，特别是初期，经常出现螺栓紧了又松、松了再紧的情况，致使铁塔螺栓紧固率达不到验收标准，并且低效率的重复施工也给施工单位造成巨大的人力资源浪费。      

针对上述情况，上海恒刚仪器仪表有限公司针对法兰螺栓的紧固进行了专题攻关，并邀请有关螺栓厂家、扭矩扳手厂家的技术骨干参与，一起分析原因、制定措施、现场验证、总结评价，以解决法兰螺栓紧固的难题。

1 法兰螺栓紧固的特点与难点

皖电东送淮南至上海特高压交流输电示范工程一般线路工程全线采用双回路钢管塔，钢管塔主材全部采用法兰连接。分析来看，钢管塔法兰螺栓紧固具有如下难点：

（1）螺栓紧固工作量大：法兰连接螺栓规格从M20到M56，有12种规格之多，单基铁塔螺栓平均15000颗，法兰螺栓占一半以上，紧固工作量之大，在以往工程中未曾      出现。      （2）螺栓扭矩值要求高：根据电力规划设计总院中国电力工程顾问集团公司文件（电规电网[2012]99号），交流建设部最终确定的螺栓扭矩最大为2500N.m（M56），相对于以往输电线路工程而言，扭矩值要求高出很多，如向家坝-上海±800kV直流输电线路工程大跨越钢管塔，大法兰螺栓扭矩值仅为本工程的1/3。

（2）（3）塔上施工作业难度大：本工程铁塔高度平均110m，高度较高，电动定扭矩扳手重量较大，携带不便，且高处施工时施工人员站位困难，行动受到局限，以正确的姿势操作电动定扭矩扳手，难度很大。

（3）（4）紧固用工具的制约：本工程推广应用的电动定扭矩扳手是法兰螺栓紧固不可替代的工具，但由于第一次大面积推广使用，厂家制造经验不足，工具性能不完善，再加之施工人员操作经验的欠缺，成为制约螺栓紧固效率的主要因素。      2 法兰螺栓紧固的工器具选择      本工程法兰螺栓紧固采取的主要紧固工具shou选电动定扭矩扳手，手动定扭矩扳手及扭矩倍增器作为补充使用      工具。      2.1 电动定扭矩扳手      电动定扭矩扳手参数及特征：（1）扭矩范围为100～3000Nm，预定扭矩可无级设定；（2）扭距精度达到±5%，重复性精度达到±3%；（3）反力臂卡死按钮自动回退并可360°旋转；工作头亦360°旋转；（4）工作电压为常规220V数字显示，更加直观。      2.2 手动定扭矩扳手及扭矩倍增器      2.2.1 扭矩倍增器参数及特征：（1）每一阶层齿轮扭矩放大倍率因子一般为5，常规比倍有1∶5、1∶15、1∶15.5等；（2）反力臂可360°旋转；进口倍增器扭距精度可达到±4%；（3）齿轮采用合金钢特殊加工及热处理，强      度高。      2.2.2 手动定扭矩扳手参数及特征：（1）无加长柄，重量轻，操作方便，数字显示，更加直观，精度高，可达到±1%；（2）示值跟踪：加力过程中，跟踪显示所加扭矩值；（3）峰值保持：加力过程中，显示值随着加固力矩的增大而增大，一但加力停止，峰值保持能显示加力前的最大力矩值，使用者可以检查力矩值的大小；（4）预置报警：紧固前预先设定需要的紧固力矩，在紧固过程中，当紧固力矩到预定的力矩值时，预置报警灯点亮同时报警声响起，提示停止加力。      2.3 两种紧固工具的使用特点      作为本工程法兰螺栓紧固的主要工具，根据在施工过程中的使用情况，本文对电动定扭矩扳手、手动定扭矩扳手及扭矩倍增器的特点及适用条件作了如下总结：      2.3.1 电动定扭矩扳手：（1）电动定扭矩扳手扭矩可调，可适应各种规格螺栓的紧固；（2）电气化施工大大地提高了螺栓紧固效率，省时省力；（3）采用数字显示模式，读数直观，操作方便；（4）大扭矩的电动扳手自重较大，在高空作业中还有很大的局限性；（5）扳手操作时角度需要保持在90°，高空作业时由于站位困难，扳手容易损坏；（6）当电源线超过100m时，会出现明显电压降，影响扳手的扭矩；（7）对发电机要求较高，发电机功率不满足或频率正弦波形的不同会导致电动扭矩扳手的扭矩值不稳甚至电动扭矩扳手无法启动；（8）同一颗螺栓不能进行二次同样扭矩值的螺栓紧固，如采用同扭矩二次紧固，则电动定扭矩扳手在重复紧固时要先将电机回转再进行二次紧固，禁止紧固到位后不回转电机即采用相同扭矩紧固。

（4）2.3.2 手动定扭矩扳手及扭矩倍增器：（1）手动定扭矩扳手十分轻巧，配合扭矩倍增器使用输出扭矩很大，避免使用加长手柄，操作方便；（2）作为电动定扭矩扳手的补充，适用于高空作业及电动扭矩扳手不好操作的地方；（3）价格适中，不易损坏；紧固效率比较低，费时      费力。      3 法兰螺栓紧固的现场试验      

3.1 试验内容：本工程用最大的法兰螺栓规格为M56、8.8级，扭矩值设计2500Nm。如此大的扭矩在输电线路为shou次使用，以往没有应用先例，为此，我们选择M56的法兰螺栓，进行紧固试验，试验在20标段江苏送变电施工现场进行，试验设备为电动定扭矩扳手及力矩检测扳手，对2个主材法兰盘，共56个M56法兰螺栓进行了2次紧固试验，试验前对螺栓进行对称编号，紧固时按十字型先紧固好沿铁塔中心及其90°方向的4颗螺栓，其余螺栓依次按对称的顺序紧固（紧固顺序及编号示意图见图1），每个法兰盘螺栓紧固分3次。试验完成3天后，监理项目部又对试验的56颗螺栓进行了复检。   第一次试验，用一套电动定扭矩值扳手进行单个对称紧固，为确保扭矩值达标，分3次进行紧固。初次紧固力矩为1500Nm，第二次紧固力矩为2200Nm，第三次紧固按照设计值2500Nm进行紧固：      第一步：对法兰螺栓进行初次紧固，电动定扭矩扳手调整到1500Nm的扭矩，按十字对称法将螺栓全部紧固。      第二步：用2200Nm的扭矩，对初次紧固的螺栓进行第二次紧固，先十字对称紧8颗螺栓，紧固完成后，利用力矩检测扳手进行检测，8颗螺栓全部达到2200Nm的扭矩值。      第三步：继续用2200Nm的扭矩，按十字对称法将剩余未紧固螺栓全部紧完。完成后用检测扳手检测，本次紧固的螺栓全部达到扭矩值，但第二步先紧固的8颗螺栓有5颗松动。      第四步：电动定扭矩扳手调整到2500Nm的扭矩，对螺栓进行第三次紧固，先十字对称紧8颗，紧固完成后，利用力矩检测扳手进行检测，8螺栓全部达到2500Nm的扭矩值。      第五步：继续用2500Nm的扭矩，按十字对称法将未紧固螺栓全部紧完。完成后，利用力矩检测扳手进行检测，本次紧固的螺栓全部达到扭矩值，但第四步先紧固的8颗螺栓有4颗松动。      第二次试验，用两套电动定扭矩扳手进行双向同时对称操作，为确保扭矩值达标，仍分3次进行紧固，初次紧固力矩为1500Nm，第二次紧固力矩为2200Nm，第三次按设计值2500Nm紧固，步骤与第一次试验相同，但是第三步及第五步仅有2颗螺栓松动。      3天后进行复检，用力矩检测扳手对56颗螺栓进行复查，发现56颗螺栓都达不到设计力矩，力矩损失较大。

（5）.2 数据分析      3.2.1 对于采用一套电动定扭矩扳手进行单个对称紧固的法兰，虽然紧固顺序正确，但是由于紧固过程中法兰不是以平行的方式闭合，造成最先紧固的螺栓受到影响而      松动。      3.2.2 采用2套电动定扭矩扳手进行双向同时对称紧固，效果比采用一套有了明显的改善，但是由于施工装备及高空作业的局限性，无法在一个法兰盘上配置更多的电动定扭矩扳手。      3.2.3 由于垫片及螺栓的镀锌等原因，螺栓紧固一段时间后会有力的损失。      3.2.4 随着塔身的升高，塔体重量不断增加，对于底部先期预紧的螺栓扭矩会出现预紧扭矩下降。      4 法兰螺栓紧固的方法与措施      试验完成后，业主、监理、施工单位、紧固件及紧固设备厂家的代表对本次试验结果进行了分析讨论，总结防止法兰螺栓松动的有效紧固方法及措施如下：      4.1 法兰螺栓紧固的方法      （1）严格按“十"字法的顺序对螺栓逐个紧固，并且应用两套电动（手动）定扭矩扳手进行双向同时对称操作；（2）应严格按规定的力矩实施紧固，确保使用力矩的一致性；（3）保持紧固件表面的清洁，防止沾附泥土等增加扭矩系数的脏物；正确使用电动扳手，紧固时使得套筒与法兰盘平面保持垂直状态；（4）对无法采用电动扳手紧固的螺栓，应对螺母内螺纹及螺母下支撑面充分涂抹黄油，然后采用手动扳手紧固；（5）螺栓跟转时，紧固时需要用扳手扣死，要配备专用扣环；（6）现场施工时，电动扭力扳手上设定扭力值时可适当提高5%；（7）由于螺栓镀锌等因素的影响，采取三步紧固法，可有效降低预紧力损失的现象：第一步，shou次安装时，螺栓分3次进行紧固，初次及第二次紧固采用设计扭矩的50%～80%紧固，第三次紧固采用设计扭矩紧固；第二步，待铁塔组立完毕间隔数天后（直线塔7天，转角塔15天），复紧一次；第三步，一个月后进行第二次复紧。      4.2 法兰螺栓紧固的组织措施      加大投入，大扭矩电动定扭矩扳手为电动工具行业的shou创，在特高压工程中也是第一次大范围推广使用，扳手的性能还不完善，容易损坏，施工单位应提前策划，保证电动定扭矩扳手的数量和施工人员的投入能够满足要求。      加大培训力度，组织电动定扭矩扳手的操作人员进行统一培训及现场操作指导，掌握操作要领，避免由于操作不当致使扳手损坏。  

（6） 针对以上问题上海恒刚厂家还特意构建沟通平台，施工单位及时向厂家反馈施工中遇到的问题，厂家在很快的时间内予以解决，保证现场的连续施工。  采用以上方法紧固，大大提高了钢管塔法兰螺栓的紧固率，但同时在实际应用中也出现了许多新的问题，如部分法兰螺栓采用两套电动定扭矩扳手同时紧固时由于受作业面限制施工人员操作困难、效率较低，此问题尚无有效解决办法，需在后续施工中进一步摸索探讨，加以解决。为此，应发挥业主及监理单位的协调职能，加强各施工单位间的沟通，相互学习，取长补短，共同探讨解决法兰螺栓紧固难的方法，为后续的铁塔检修提供技术支持，以确保工程目标的顺利实现，同时，也为后续特高压工程积累经验，打下坚实的技术基础。

参考文献：商彬 周振国