螺栓，作为在机械装备服役的机组中的连接方式之一，使用量最大。为了获得较高的预紧力，使高强度螺栓与机件之间产生正压力，依靠摩擦力抵抗外载荷，使螺栓连接在承受工作载荷之前，预先受到力的作用，合适的预紧力是增强连接可靠性和减少螺栓疲劳失效的重要前提。

1、问题的提出

近年来，大量高强度螺栓早期失效事故时有发生。如服役中机组的浆叶螺栓断裂原因分析之一，就是没有按照安装工艺要求执行，安装时部分螺栓没有涂抹润滑剂，导致螺栓力矩不均匀。涂抹润滑剂的螺栓拧紧力矩时摩擦力小，所以较紧，而没有涂抹MoS2润滑剂的螺栓拧紧力矩后仍然较松。经过试验测试，同样是拧紧到750N•m的力矩，涂抹MoS2润滑剂与未涂抹的螺栓预紧力相差三分之一。因此，浆叶螺栓所受预紧力不一样，机组运行后，在循环动态载荷作用下，导致较紧的螺栓首先断裂，其他螺栓逐步断裂，最终浆叶脱落，浆叶报废。

再如，机架螺栓断裂。当机架发生失稳后，外力超过螺栓断裂极限，现场安装时，连接法兰变形强制安装等，导致局部螺栓应力集中，形成多个裂纹源，运行一定年限后断裂。从断口看，断裂处存在较大幅度的应力集中现象。

2、预紧力的确定

过大的过小的预紧力都将增大螺栓疲劳破坏的概率。预紧力达不到规定要求，定会使被连接件之间受载荷后出现缝隙或发生相对位移，造成连接件的松动，可能导致被连接件错位、歪斜，螺栓可能被剪断；预紧力过大，螺栓将发生塑性变形而失效，甚至有可能被拧断或螺纹被剪断而脱出。

螺栓的预紧力应由设计单位提供，一般取材料屈服极限的70%～82%，即
Fo=(70%～80%)*Rp0.2*As……………①
设计紧固扭矩，
Te=K*Fo*d …………………………②
施工扭矩，
T=Te*(1+10%)………………………③

式中：
K-高强度螺栓连接副的扭矩系数平均值；
T-施工扭矩，单位为牛米N•m；
Fo-螺栓施工预拉力，单位为千牛 KN；
Rp0.2-螺栓材料的屈服极限（N/mm2）；
As-螺栓的公称应力截面积（mm2）；
d-高强度螺栓螺杆直径，单位为毫米（mm）。

表1为所示为扭矩系数为0.1的某工程高强度螺栓施工扭矩值min列表（仅供参考）。

表1 螺栓施工扭矩值min表(K=0.1)

序号	规格	材料牌号	设计预紧力（Km）	公称应力截面积（mm2）	设计紧固扭矩（N·m）	施工扭矩（N·m）
1	M30x240	42CrMo	369	561	1107	1200
2	M36x280	42CrMo4	510	817	1840	2050
3	M42x280	42CrMo4	710	1120	2982	3280
4	M45x320	B7	862	1310	3880	4250
5	M48x260	B7	967	1470	4642	5100
6	M56x300	B7	1336	2030	7482	8250

现场施工安装时，同一厂家，同批次原材料、同批次生产的螺栓、扭矩系数必须一致。其中，尤其重要的扭矩系数试验须明确试验所用的MoS2润滑剂型号、涂抹部位及用量，且应确保施工现场操作方便可行。

⑴润滑剂的选择

由设计单位确定，通常情况润滑剂采用MoS2,操作者按规定领取润滑剂和涂抹工具。润滑剂的选用与涂抹必须与扭矩系数试验所确定条件一致。如需更换润滑剂，必须提交相应申请，并重新进行扭矩系数的测定。

⑵螺栓拧紧方法选择

螺栓拧紧方法目前应用较多的有扭矩法、旋转角度法及液压拉伸预紧法。

①扭矩拧紧法是将扭矩间接转换为拉伸力以实现对螺栓的预紧，在实施过程中具有简单、直观的特点，但是扭矩系数K与螺栓表面及法兰的粗糙度、润滑状况、拧紧速度、使用工具和环境温度等因素都有关，通常在0.1～0.2之间变化。扭矩系数的变化将导致预紧力发生较大的变化。

②旋转角度法是通过测量螺母或螺栓在紧固过程中旋转的角度来间接实施螺栓的预紧。此种方法从理论上讲只要准确控制螺栓回转角度，便可准确控制预紧力。但是，由于接触变形螺母与法兰支承面完全接触的开始位置难确定，加之被连接件的刚度计算较为复杂、螺栓出现扭转变形、几何尺寸误差等因素，使得此种方法控制预紧力会出现误差。

③液压拉伸预紧法是通过测量螺栓的伸长量或者通过设定液压泵的压力来间接实施螺栓的预紧，此种方法可以提高预紧力的控制精度。液压拉伸器给螺栓施加预紧力时没有摩擦力，故该方法适用于任何尺寸的螺栓，而且可以给一组螺栓通时施加预紧力，均匀压紧法兰和垫圈，不致出现倾斜、翘曲；而影响预紧力的精确控制。但是由于螺栓旋合螺纹、垫圈、连接法兰面在撤去拉伸器后首次承受载荷而发生变形，从而使螺栓剩余预紧力小于施加目标预紧力。

以上三种方法各有利弊。目前大多依然采用扭矩拧紧法。

⑶连接副的拧紧工艺

①螺栓初拧：按对称原则将螺栓分成若干工作单元，用电动扳手初拧螺栓，初拧扭矩不大于施工力矩的62%。

②螺栓终拧：按对称原则将螺栓分成若干工作单元，用液压力矩扳手按施工力矩的100%扭矩值拧紧螺母，要求最少2人同时操作。拧紧顺序对称、同方向、操作者要同时完成螺母的拧紧。

4、结束语

螺栓预紧力的控制是一个系统工程。需要从设计、生产到安装施工乃至后期维护整个过程当种严格把关，才能使预紧力达到预期要求、控制在理想状态。

注：以上生产实践中的经验小结，抛砖引玉，相互参考借鉴，有不妥之处请同仁提出批评指正，以利于我国紧固件行业的技术进步，乃至实现紧固件可持续发展。

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