淺析液壓拉伸器與液壓力矩扳手的使用要點(diǎn)

1、淺析液壓拉伸器與液壓力矩扳手的使用要點(diǎn)淺析液壓拉伸器與液壓力矩扳手的使用要點(diǎn)王 樂 遠(yuǎn)陳 慶 長中油吉林化建呼和浩特項(xiàng)目部2012年11月18日摘要：工藝管線是石油化工裝置的核心，在裝置的生產(chǎn)過程中，因螺栓緊固問題而造成的各類事故所占的比例較高，主要體現(xiàn)在公稱直徑較大的高壓管道的密封泄漏上，隨著科技的發(fā)展，液壓工具已成為目前石油化工裝置建設(shè)中不可缺少的工具，本文主要介紹液壓力矩扳手和液壓拉伸器的緊固原理及參數(shù)區(qū)分，以免使用者對(duì)數(shù)據(jù)把握不準(zhǔn)而造成螺栓緊固力不到和超出螺栓屈服強(qiáng)度等事情發(fā)生，從而提高施工進(jìn)度，保證施工質(zhì)量及裝置的安全、穩(wěn)定、長周期運(yùn)行。關(guān)鍵詞：螺栓、液壓、緊固淺析液壓拉伸器與液壓力

2、矩扳手的使用要點(diǎn)1、前言液壓拉伸器與液壓力矩扳手是緊固螺栓重要工具，他們廣泛應(yīng)用于船舶工程，石油化工，建筑，電力，礦山，冶金等行業(yè)的施工，檢修，搶修等工作中，它們對(duì)于大規(guī)格的螺栓的安裝與拆卸都是一種十分重要的工具。它們的使用不僅可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率，而且極大的提高安裝質(zhì)量，也有利于現(xiàn)場(chǎng)安全管理。由于液壓拉伸器和液壓力矩扳手的形式有多種，其配用的電動(dòng)油泵、氣動(dòng)油泵及手動(dòng)油泵也均有多種型號(hào)，它們的具體的操作方法本文不詳細(xì)描述，使用時(shí)須參考使用說明書。2、工作原理2.1液壓拉伸器的工作原理液壓拉伸器的工作原理是利用液壓油缸直接對(duì)螺栓施加外力，使被施加力的螺栓在其彈性變形區(qū)內(nèi)被拉長，螺栓直徑

3、微量變形，從而使螺母易于松動(dòng)。金屬撥棍支撐橋拉伸器拉伸頭（內(nèi)有液壓缸）螺柱螺母六角螺母金屬撥圈高壓膠管接頭液壓油缸支撐橋液壓拉伸器安裝螺栓中軸線的位置，用于對(duì)螺栓進(jìn)行軸向拉伸，實(shí)現(xiàn)螺栓需要的拉伸量，而正是螺栓的這種拉伸量決定了螺栓緊固所需的夾緊力。螺栓受到拉伸時(shí)，螺母會(huì)與法蘭接觸面脫離開來，液壓拉伸器下端有一個(gè)開口，供操作人員人工轉(zhuǎn)動(dòng)螺母，通常螺母的轉(zhuǎn)動(dòng)是通過一根金屬撥棍來撥動(dòng)六角螺母外的一個(gè)撥圈來實(shí)現(xiàn)的（或直接撥動(dòng)圓頭螺母）。卸掉液壓拉伸器中的油壓后，螺母和接合面緊貼，從而將螺栓的軸向形變鎖住，也就是將剩余的螺栓載荷鎖在螺母里。液壓拉伸器對(duì)螺栓施加的載荷與液壓缸中的油壓成正比關(guān)系，這樣的設(shè)計(jì)

4、能夠非常精確地留住有效載荷。由于載荷直接施加在螺栓上，且所有作用力都用于螺栓拉長，因此載荷產(chǎn)生所需的空間可以達(dá)到最小。由于其拉伸方式不受螺栓潤滑效果和螺紋摩擦大小的影響，因此可以得到更為精確的螺栓載荷。X軸壓力（單位MPa、PSi、Bar等）Y軸螺栓拉力KN液壓拉伸器提供的預(yù)緊力（拉力）與油缸壓力的關(guān)系示意圖液壓拉伸器通常用手動(dòng)液壓泵提供油壓，通過液壓分配器轉(zhuǎn)換，使用多個(gè)液壓拉伸器對(duì)多個(gè)螺栓進(jìn)行同步拉伸，使整圈螺栓受力均勻，得到均衡的載荷。下圖液壓泵配合膠管和分配器可實(shí)現(xiàn)4個(gè)液壓拉伸器同時(shí)緊固螺栓。分配器高壓膠管快速接頭手動(dòng)液壓泵壓力指示表液壓拉伸器的拉伸方式對(duì)螺栓進(jìn)行緊固得到的剩余載荷和有效

5、載荷要比力矩方式更大。其拉伸方式更適用于緊固精度要求較高的接合應(yīng)用，它能使法蘭受力均勻地實(shí)現(xiàn)接合，真正地防止泄漏。2.2液壓力矩扳手的工作原理液壓力矩扳手（簡稱液壓扳手）是以液壓為動(dòng)力，提供大扭矩輸出，它經(jīng)常用來上緊和拆松大于一英寸的螺栓。液壓扭力扳手是由工作頭、液壓泵以及高壓油管組成。通過高壓油管，液壓泵將動(dòng)力傳輸?shù)焦ぷ黝^，驅(qū)動(dòng)工作頭旋轉(zhuǎn)螺母擰緊或松開。液壓扳手的工作頭主要由三部分組成，框架（也叫殼體），油缸和傳動(dòng)部件。油缸輸出力，油缸活塞桿與傳動(dòng)部分組成運(yùn)動(dòng)副，油缸中心到傳動(dòng)部件中心這個(gè)距離是液壓扳手放大力臂，油缸出力乘以力臂，就是液壓扳手理論輸出扭矩，而由于摩擦阻力存在，液壓扳手實(shí)際輸出

6、扭矩要小于理論輸出扭矩。液壓扳手有驅(qū)動(dòng)式液壓扭矩扳手和中空式液壓扳手兩大系列。驅(qū)動(dòng)式液壓力矩扳手配合標(biāo)準(zhǔn)套筒使用，為通用型液壓扳手，適用范圍廣。中空液壓扳手厚度較薄，特別適用于空間比較狹小的地方。下圖為驅(qū)動(dòng)式液壓力矩扳手。油缸傳動(dòng)部件框架（殼體）螺母套筒支撐臂高壓膠管接頭 液壓扳手通常采用電動(dòng)液壓泵站及高壓膠管傳輸來提供油缸壓力，根據(jù)其工作泵站的結(jié)構(gòu)形式的不同，新型的液壓力矩扳手大多數(shù)也可以使用多個(gè)工作頭同步對(duì)多個(gè)螺栓進(jìn)行緊固，提高緊固效率和盡可能地減小螺栓扭矩值分配誤差。壓力指示表高壓膠管操作按鈕電動(dòng)液壓泵站3、液壓拉伸器與液壓力矩扳手的適用范圍液壓拉伸器的適用范圍根據(jù)液壓拉伸器的使用原理（

7、拉力作用在螺柱上），需要螺柱上螺紋的剪力提供拉力，因此它適用于螺栓較長（螺柱超出螺母4050mm，根據(jù)支撐橋的高度不同，甚至需要超出50mm以上）的法蘭口緊固。由于液壓拉伸器有支撐橋（或稱為支撐環(huán)），其螺母的高度還應(yīng)低于液壓拉伸器支撐橋的高度，且應(yīng)留出不少于拉伸長度的距離。（正常情況下，液壓拉伸器的支撐橋可以適用于按照國家標(biāo)準(zhǔn)制作的相對(duì)應(yīng)規(guī)格螺栓的螺母）注意：非特別必要的情況下，大家不要自己制作支撐橋，容易造成拉伸頭的損壞。若一定要現(xiàn)場(chǎng)加工制作，應(yīng)與制造廠家取得聯(lián)系，并保證加工面的尺寸精度和粗糙度。液壓力矩扳手的適用范圍液壓力矩扳手需要通過傳動(dòng)部件連接套筒方可實(shí)現(xiàn)螺母旋動(dòng)，因此其所適用的螺栓不

8、可過長，螺柱超出螺母長度需根據(jù)根據(jù)套筒的形式（長套筒、短套筒等）而小于一定范圍。短套筒長套筒工作頭傳動(dòng)部件接口 此外，現(xiàn)場(chǎng)緊固時(shí)，可能會(huì)受作業(yè)空間環(huán)境所限，必要時(shí)需采取相應(yīng)措施（如：與設(shè)計(jì)人員溝通更換螺栓等），以創(chuàng)造條件來滿足現(xiàn)場(chǎng)緊固工具的使用。4、使用中應(yīng)注意的問題4.1兩者輸出數(shù)值的區(qū)別操作人員對(duì)液壓工具的輸出數(shù)值把握不準(zhǔn)易造成以下兩種后果： 螺栓預(yù)緊力不滿足緊固要求 螺栓預(yù)緊力超出螺栓屈服強(qiáng)度極限，導(dǎo)致螺栓損壞 液壓拉伸器的輸出值：通過螺栓的不同規(guī)格和材質(zhì)，確定預(yù)緊力值（見表4.1.2），再通過廠家提供的專屬型號(hào)的拉伸頭數(shù)據(jù)對(duì)照表（即油缸壓力PMPabarPSi螺栓預(yù)緊力FKN），確定油

9、缸壓力。油缸壓力與預(yù)緊力的對(duì)照表是通過理論公式計(jì)算得出的。式中：P油缸壓力讀數(shù)MPa（見本文4.1.1壓力單位值換算）F螺栓的預(yù)緊力KN（見本文4.1.2螺栓預(yù)緊力值的確定）S油缸的受壓面積mm2（拉伸器的內(nèi)部油缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)值，是固定不變的）液壓力矩扳手的輸出值：根據(jù)液壓力矩扳手的力矩原理，不同型號(hào)的力矩扳手由于力臂不同（“油缸中心到傳動(dòng)部件中心這個(gè)距離是液壓扳手的放大力臂”，前文有介紹），其工作頭的最大輸出力矩及力矩與油缸壓力的比例關(guān)系是不同的，因此不同規(guī)格和材質(zhì)的螺栓，參照表4.1.2選取預(yù)轉(zhuǎn)扭矩值后，必須參照制造廠家提供的專有力矩轉(zhuǎn)換對(duì)照表來確定液壓泵站的進(jìn)油壓力。4.1.1壓力單位值換算

10、下圖為某個(gè)液壓泵上的壓力指示表，共有三種壓力單位讀數(shù)，即PSi、bar、MPa，該壓力表的數(shù)據(jù)指示較全面，可以直觀的讀出所需要的油缸壓力，但部分油泵上壓力表（或可能為自行裝配的壓力表）沒有像該壓力表一樣將各種壓力單位及刻度全部注明，而我們中的許多人對(duì)壓力單位不能夠深刻的了解，因此本說明的目的是對(duì)這三種壓力單位做出詳細(xì)解釋，以便能夠正確快速的換算壓力數(shù)值。PSiBarMPa工程上常用的是MPa（兆帕）：1MPa=1000000Pa（壓力的法定單位“帕斯卡”）1Pa=1N/（牛頓/平方米）PSI英文全稱為Pounds per square inch，為英制受壓單位（歐美國家使用）。P是磅pound

11、，S是平方square，I是英寸inch。根據(jù)單位換算1pound（磅）=0.4536 Kg（千克）和1inch（英寸）=25.4mm（毫米）可得： 即1MPa（兆帕）=145.1337PSi（磅力/平方英寸）bar（巴）即所謂標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力，指在零攝氏度（0）條件下，在緯度45度的海平面上，所受到的大氣壓力（干燥空氣），經(jīng)測(cè)量相當(dāng)于760mmHg（汞）/cm2，即每平方厘米承受760mmHg的壓力。設(shè)想為底面積為1cm2的760mm汞柱，其質(zhì)量m=(汞的密度13.6103Kg/m3) （汞柱的體積m3）計(jì)算可得m=1.0336Kg，其重量G=mg=1.0336Kg9.8（重力加速度）=10.1

12、3N（牛頓）1bar=G（760mm汞柱自重）/S（汞柱底面積）=10.13/10-4=101300Pa=0.1013MPa0.1Mpa。以上所介紹的為基礎(chǔ)物理知識(shí)，有些贅述，但可幫助理解記憶，綜合本節(jié)的說明和計(jì)算，可得三個(gè)單位的換算公式：1MPa=145.1337PSi=10bar 1PSi=0.00689MPa=0.068bar 1bar=0.1013MPa=14.702PSi4.1.2螺栓預(yù)緊力值的確定國內(nèi)螺栓的抗拉強(qiáng)度一般依據(jù)德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)緊固原理和相對(duì)應(yīng)螺栓材料的抗拉強(qiáng)度，可以計(jì)算出螺栓的最大預(yù)緊力，通常使用液壓工具進(jìn)行螺栓的緊固一般不高于螺栓最大預(yù)緊力的70%。液壓拉伸器與液壓

13、力矩扳手的緊固原理從深處考慮，均為螺栓被拉長，在塑性變形內(nèi)產(chǎn)生的拉力作為緊固力。相對(duì)液壓拉伸器，僅需知道螺栓的最大預(yù)緊力，便可通過廠家提供的對(duì)照表或計(jì)算得到油缸拉力進(jìn)行緊固操作。液壓力矩扳手的轉(zhuǎn)矩計(jì)算則非常復(fù)雜，除考慮螺栓最大預(yù)緊力值之外，還需考慮螺栓的螺紋公稱直徑、擰緊力矩系數(shù)（與螺母與受壓接觸面的摩擦力有關(guān)）等等，它的計(jì)算涉及到了一定的專業(yè)領(lǐng)域和微積分知識(shí)，對(duì)此有興趣的同志可以查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料進(jìn)行深入了解。綜合對(duì)比了若干個(gè)液壓拉伸器與液壓扳手，根據(jù)多個(gè)廠家提供的螺栓預(yù)緊力值，預(yù)轉(zhuǎn)扭矩值，參照機(jī)械部標(biāo)準(zhǔn)，我們?cè)谑突す艿朗┕r(shí)，使用液壓工具緊固螺栓時(shí)可以利用下表提供的數(shù)值（請(qǐng)注意表格說明）

14、：表4.1.2螺栓尺寸材料等級(jí)預(yù)緊力FV（8.8）KN預(yù)轉(zhuǎn)扭矩MA（8.8）Nm螺紋直徑d（mm）螺母對(duì)邊距離S（mm）M14218.84096M16248.855149M18278.868205M20308.886290M22328.8110391M24368.8124500M27418.8164734M30468.81991004M33508.82481352M36558.82911749M39608.83472258M42658.84012906M48758.85294236M52808.86405423M56858.87326791M60908.88688375M64958.89691

15、0147M681008.8114112330M721058.8126514689M801158.8159720368M901308.8206929492M1001458.8260541122表格說明：表中的預(yù)緊力FV（8.8）及預(yù)緊力矩MA（8.8）為8.8級(jí)螺栓（碳鋼螺栓）的緊固參考值 一般工藝用鉻鉬合金鋼螺栓等級(jí)為10.9級(jí)，鉻鉬釩、鎳鉻、鎳鉻鉬合金鋼螺栓等級(jí)為12.9級(jí) 10.9、12.9級(jí)螺栓的預(yù)緊力和預(yù)緊轉(zhuǎn)矩可參照下列系數(shù)換算：FV（10.9）=1.41FV（8.8）；MA(10.9)=1.41FV（8.8）FV（12.9）=1.69FV（8.8）；MA(12.9)=1.69FV（8

16、.8） 表中數(shù)據(jù)為螺栓屈服值的70%，緊固螺栓時(shí)參考選取，拆卸螺栓時(shí)可參考表中數(shù)據(jù)的130%選取 使用液壓工具緊固螺栓時(shí)切忌超出螺栓的屈服值（一般最大不超過90%），以免造成不必要的損失。 許多液壓工具附帶的使用說明書中給定的數(shù)值可能會(huì)與本表的數(shù)值有一定出入，但差別一般不會(huì)很大，液壓工具生產(chǎn)廠家可能會(huì)出于對(duì)產(chǎn)品的保護(hù)對(duì)數(shù)值進(jìn)行優(yōu)化，因此使用時(shí)應(yīng)盡可能參照使用說明書選值。4.2操作注意事項(xiàng)4.2.1防止使用時(shí)超出拉伸器的活塞行程使用中，工藝要求對(duì)螺栓進(jìn)行多次拉伸緊固的，在螺母一次緊固到位后，液壓油泵應(yīng)按操作程序泄壓，再將拔桿插入液壓拉伸器撥孔，順時(shí)針撥動(dòng)使活塞復(fù)位，活塞復(fù)位后再按上述方法進(jìn)行緊固

17、，直至滿足工藝要求。液壓拉伸器有多種形式，有的液壓拉伸器可直接通過反向作用力自動(dòng)復(fù)位活塞。4.2.2液壓工具使用的過程監(jiān)控在使用液壓工具時(shí)，應(yīng)注意觀察液壓泵的工作狀態(tài)、力矩扳手的工作狀態(tài)、拉伸器的活塞的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及高壓膠管的密封狀態(tài)等，若出現(xiàn)異常情況，如扳手的跳動(dòng)或顫抖等現(xiàn)象，要立即停止使用，查明原因，消除隱患。4.2.3螺栓載荷均布的緊固要點(diǎn)為最大化的實(shí)現(xiàn)螺栓載荷均布，操作時(shí)要注意螺栓緊固順序并保證同一個(gè)法蘭上所有螺栓的緊固力一致。 多個(gè)液壓工作頭同步進(jìn)行螺栓緊固時(shí)，應(yīng)對(duì)稱設(shè)置；單個(gè)液壓工作頭進(jìn)行螺栓緊固時(shí)，應(yīng)對(duì)角線順序進(jìn)行緊固。每個(gè)螺栓在緊固后要及時(shí)做好緊固標(biāo)識(shí)，以免遺漏或重復(fù)緊固。 分多

18、次緊固時(shí)要記錄第一次加壓所保持的壓力值，從而給之后的加壓提供參考。多個(gè)工作頭同時(shí)緊固，順序A1A2A3單個(gè)工作頭緊固，順序B1B2B3B12螺栓緊固順序如下示意圖：4.2.4其他注意事項(xiàng)拉伸器及力矩扳手的型號(hào)、形式有很多種，且液壓工具的費(fèi)用一般較高，使用前要仔細(xì)閱讀說明書，尤其要牢記需要注意的事項(xiàng)，螺栓緊固時(shí)應(yīng)由經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)工人進(jìn)行操作，最好有工程師進(jìn)行監(jiān)督使用，確保萬無一失，以免造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。5、結(jié)論隨著科技的發(fā)展，液壓工具將在石油化工建設(shè)中普及，尤其在高壓管道的施工中，它已經(jīng)成為不可缺少的工具。它具有實(shí)用性、精確性等優(yōu)點(diǎn)，許多人對(duì)液壓工具的使用較為生疏，我們應(yīng)該跟上時(shí)代的進(jìn)步，熟練的運(yùn)用新設(shè)備，針對(duì)不同的現(xiàn)場(chǎng)情況，合理正確的選用工具有助于我們保證施工進(jìn)