M20-M56鋼管塔法蘭螺栓緊固的定扭矩扳手研究與探討

皖電東送淮南至上海特高壓交流輸電示范工程一般線路工程是一條特高壓雙回輸電線路，鐵塔全部采用鋼管塔，鐵塔平均高度為110m、單基平均重量為180t，鋼管塔主材全部采用法蘭連接。在浙北-滬西段已經完工的鐵塔法蘭螺栓緊固過程中，特別是初期，經常出現螺栓緊了又松、松了再緊的情況，致使鐵塔螺栓緊固率達不到驗收標準，并且低效率的重復施工也給施工單位造成巨大的人力資源浪費。      

針對上述情況，上海恒剛儀器儀表有限公司針對法蘭螺栓的緊固進行了專題攻關，并邀請有關螺栓廠家、扭矩扳手廠家的技術骨干參與，一起分析原因、制定措施、現場驗證、總結評價，以解決法蘭螺栓緊固的難題。

1 法蘭螺栓緊固的特點與難點

皖電東送淮南至上海特高壓交流輸電示范工程一般線路工程全線采用雙回路鋼管塔，鋼管塔主材全部采用法蘭連接。分析來看，鋼管塔法蘭螺栓緊固具有如下難點：

（1）螺栓緊固工作量大：法蘭連接螺栓規格從M20到M56，有12種規格之多，單基鐵塔螺栓平均15000顆，法蘭螺栓占一半以上，緊固工作量之大，在以往工程中未曾      出現。      （2）螺栓扭矩值要求高：根據電力規劃設計總院中國電力工程顧問集團公司文件（電規電網[2012]99號），交流建設部最終確定的螺栓扭矩最大為2500N.m（M56），相對于以往輸電線路工程而言，扭矩值要求高出很多，如向家壩-上海±800kV直流輸電線路工程大跨越鋼管塔，大法蘭螺栓扭矩值僅為本工程的1/3。

（2）（3）塔上施工作業難度大：本工程鐵塔高度平均110m，高度較高，電動定扭矩扳手重量較大，攜帶不便，且高處施工時施工人員站位困難，行動受到局限，以正確的姿勢操作電動定扭矩扳手，難度很大。

（3）（4）緊固用工具的制約：本工程推廣應用的電動定扭矩扳手是法蘭螺栓緊固不可替代的工具，但由于第一次大面積推廣使用，廠家制造經驗不足，工具性能不完善，再加之施工人員操作經驗的欠缺，成為制約螺栓緊固效率的主要因素。      2 法蘭螺栓緊固的工器具選擇      本工程法蘭螺栓緊固采取的主要緊固工具shou選電動定扭矩扳手，手動定扭矩扳手及扭矩倍增器作為補充使用      工具。      2.1 電動定扭矩扳手      電動定扭矩扳手參數及特征：（1）扭矩范圍為100～3000Nm，預定扭矩可無級設定；（2）扭距精度達到±5%，重復性精度達到±3%；（3）反力臂卡死按鈕自動回退并可360°旋轉；工作頭亦360°旋轉；（4）工作電壓為常規220V數字顯示，更加直觀。      2.2 手動定扭矩扳手及扭矩倍增器      2.2.1 扭矩倍增器參數及特征：（1）每一階層齒輪扭矩放大倍率因子一般為5，常規比倍有1∶5、1∶15、1∶15.5等；（2）反力臂可360°旋轉；進口倍增器扭距精度可達到±4%；（3）齒輪采用合金鋼特殊加工及熱處理，強      度高。      2.2.2 手動定扭矩扳手參數及特征：（1）無加長柄，重量輕，操作方便，數字顯示，更加直觀，精度高，可達到±1%；（2）示值跟蹤：加力過程中，跟蹤顯示所加扭矩值；（3）峰值保持：加力過程中，顯示值隨著加固力矩的增大而增大，一但加力停止，峰值保持能顯示加力前的最大力矩值，使用者可以檢查力矩值的大??；（4）預置報警：緊固前預先設定需要的緊固力矩，在緊固過程中，當緊固力矩到預定的力矩值時，預置報警燈點亮同時報警聲響起，提示停止加力。      2.3 兩種緊固工具的使用特點      作為本工程法蘭螺栓緊固的主要工具，根據在施工過程中的使用情況，本文對電動定扭矩扳手、手動定扭矩扳手及扭矩倍增器的特點及適用條件作了如下總結：      2.3.1 電動定扭矩扳手：（1）電動定扭矩扳手扭矩可調，可適應各種規格螺栓的緊固；（2）電氣化施工大大地提高了螺栓緊固效率，省時省力；（3）采用數字顯示模式，讀數直觀，操作方便；（4）大扭矩的電動扳手自重較大，在高空作業中還有很大的局限性；（5）扳手操作時角度需要保持在90°，高空作業時由于站位困難，扳手容易損壞；（6）當電源線超過100m時，會出現明顯電壓降，影響扳手的扭矩；（7）對發電機要求較高，發電機功率不滿足或頻率正弦波形的不同會導致電動扭矩扳手的扭矩值不穩甚至電動扭矩扳手無法啟動；（8）同一顆螺栓不能進行二次同樣扭矩值的螺栓緊固，如采用同扭矩二次緊固，則電動定扭矩扳手在重復緊固時要先將電機回轉再進行二次緊固，禁止緊固到位后不回轉電機即采用相同扭矩緊固。

（4）2.3.2 手動定扭矩扳手及扭矩倍增器：（1）手動定扭矩扳手十分輕巧，配合扭矩倍增器使用輸出扭矩很大，避免使用加長手柄，操作方便；（2）作為電動定扭矩扳手的補充，適用于高空作業及電動扭矩扳手不好操作的地方；（3）價格適中，不易損壞；緊固效率比較低，費時      費力。      3 法蘭螺栓緊固的現場試驗      

3.1 試驗內容：本工程用最大的法蘭螺栓規格為M56、8.8級，扭矩值設計2500Nm。如此大的扭矩在輸電線路為shou次使用，以往沒有應用先例，為此，我們選擇M56的法蘭螺栓，進行緊固試驗，試驗在20標段江蘇送變電施工現場進行，試驗設備為電動定扭矩扳手及力矩檢測扳手，對2個主材法蘭盤，共56個M56法蘭螺栓進行了2次緊固試驗，試驗前對螺栓進行對稱編號，緊固時按十字型先緊固好沿鐵塔中心及其90°方向的4顆螺栓，其余螺栓依次按對稱的順序緊固（緊固順序及編號示意圖見圖1），每個法蘭盤螺栓緊固分3次。試驗完成3天后，監理項目部又對試驗的56顆螺栓進行了復檢。 ??第一次試驗，用一套電動定扭矩值扳手進行單個對稱緊固，為確保扭矩值達標，分3次進行緊固。初次緊固力矩為1500Nm，第二次緊固力矩為2200Nm，第三次緊固按照設計值2500Nm進行緊固：      第一步：對法蘭螺栓進行初次緊固，電動定扭矩扳手調整到1500Nm的扭矩，按十字對稱法將螺栓全部緊固。      第二步：用2200Nm的扭矩，對初次緊固的螺栓進行第二次緊固，先十字對稱緊8顆螺栓，緊固完成后，利用力矩檢測扳手進行檢測，8顆螺栓全部達到2200Nm的扭矩值。      第三步：繼續用2200Nm的扭矩，按十字對稱法將剩余未緊固螺栓全部緊完。完成后用檢測扳手檢測，本次緊固的螺栓全部達到扭矩值，但第二步先緊固的8顆螺栓有5顆松動。      第四步：電動定扭矩扳手調整到2500Nm的扭矩，對螺栓進行第三次緊固，先十字對稱緊8顆，緊固完成后，利用力矩檢測扳手進行檢測，8螺栓全部達到2500Nm的扭矩值。      第五步：繼續用2500Nm的扭矩，按十字對稱法將未緊固螺栓全部緊完。完成后，利用力矩檢測扳手進行檢測，本次緊固的螺栓全部達到扭矩值，但第四步先緊固的8顆螺栓有4顆松動。      第二次試驗，用兩套電動定扭矩扳手進行雙向同時對稱操作，為確保扭矩值達標，仍分3次進行緊固，初次緊固力矩為1500Nm，第二次緊固力矩為2200Nm，第三次按設計值2500Nm緊固，步驟與第一次試驗相同，但是第三步及第五步僅有2顆螺栓松動。      3天后進行復檢，用力矩檢測扳手對56顆螺栓進行復查，發現56顆螺栓都達不到設計力矩，力矩損失較大。

（5）.2 數據分析      3.2.1 對于采用一套電動定扭矩扳手進行單個對稱緊固的法蘭，雖然緊固順序正確，但是由于緊固過程中法蘭不是以平行的方式閉合，造成最先緊固的螺栓受到影響而      松動。      3.2.2 采用2套電動定扭矩扳手進行雙向同時對稱緊固，效果比采用一套有了明顯的改善，但是由于施工裝備及高空作業的局限性，無法在一個法蘭盤上配置更多的電動定扭矩扳手。      3.2.3 由于墊片及螺栓的鍍鋅等原因，螺栓緊固一段時間后會有力的損失。      3.2.4 隨著塔身的升高，塔體重量不斷增加，對于底部先期預緊的螺栓扭矩會出現預緊扭矩下降。      4 法蘭螺栓緊固的方法與措施      試驗完成后，業主、監理、施工單位、緊固件及緊固設備廠家的代表對本次試驗結果進行了分析討論，總結防止法蘭螺栓松動的有效緊固方法及措施如下：      4.1 法蘭螺栓緊固的方法      （1）嚴格按“十"字法的順序對螺栓逐個緊固，并且應用兩套電動（手動）定扭矩扳手進行雙向同時對稱操作；（2）應嚴格按規定的力矩實施緊固，確保使用力矩的一致性；（3）保持緊固件表面的清潔，防止沾附泥土等增加扭矩系數的臟物；正確使用電動扳手，緊固時使得套筒與法蘭盤平面保持垂直狀態；（4）對無法采用電動扳手緊固的螺栓，應對螺母內螺紋及螺母下支撐面充分涂抹黃油，然后采用手動扳手緊固；（5）螺栓跟轉時，緊固時需要用扳手扣死，要配備專用扣環；（6）現場施工時，電動扭力扳手上設定扭力值時可適當提高5%；（7）由于螺栓鍍鋅等因素的影響，采取三步緊固法，可有效降低預緊力損失的現象：第一步，shou次安裝時，螺栓分3次進行緊固，初次及第二次緊固采用設計扭矩的50%～80%緊固，第三次緊固采用設計扭矩緊固；第二步，待鐵塔組立完畢間隔數天后（直線塔7天，轉角塔15天），復緊一次；第三步，一個月后進行第二次復緊。      4.2 法蘭螺栓緊固的組織措施      加大投入，大扭矩電動定扭矩扳手為電動工具行業的shou創，在特高壓工程中也是第一次大范圍推廣使用，扳手的性能還不完善，容易損壞，施工單位應提前策劃，保證電動定扭矩扳手的數量和施工人員的投入能夠滿足要求。      加大培訓力度，組織電動定扭矩扳手的操作人員進行統一培訓及現場操作指導，掌握操作要領，避免由于操作不當致使扳手損壞。  

（6） 針對以上問題上海恒剛廠家還特意構建溝通平臺，施工單位及時向廠家反饋施工中遇到的問題，廠家在很快的時間內予以解決，保證現場的連續施工。  采用以上方法緊固，大大提高了鋼管塔法蘭螺栓的緊固率，但同時在實際應用中也出現了許多新的問題，如部分法蘭螺栓采用兩套電動定扭矩扳手同時緊固時由于受作業面限制施工人員操作困難、效率較低，此問題尚無有效解決辦法，需在后續施工中進一步摸索探討，加以解決。為此，應發揮業主及監理單位的協調職能，加強各施工單位間的溝通，相互學習，取長補短，共同探討解決法蘭螺栓緊固難的方法，為后續的鐵塔檢修提供技術支持，以確保工程目標的順利實現，同時，也為后續特高壓工程積累經驗，打下堅實的技術基礎。

參考文獻：商彬 周振國