1、螺纹连接理论指导下螺栓拧紧方法探讨摘要围绕螺栓连接理论，分析了几种螺栓拧紧方法，以提高螺栓连接的可靠性、稳定性及螺栓紧固方法的合理性。 关键词螺纹连接 螺栓 拧紧方法 螺纹连接是钻井行业中应用最广泛的可拆卸连接之一，尤其在井控设备，存在较高压力，螺栓、螺柱等在设备连接中起到的作用不容忽视。由于震动及交变的载荷，以及温度的影响，使螺纹连接常发生自动松脱现象。可以用弹簧垫圈、双螺母、开口销、串钢丝等防松办法，但这些办法既增加成本，又导致加工与装配工艺的复杂性。因此在日常工作中，螺栓连接的可靠性、稳定性及螺栓紧固方法的合理性就显得越来越重要。1 螺栓连接理论 1.1 螺栓连接传统理论 以往的螺栓拧紧
2、标准中，在螺栓拧紧时，连接与被连接件的变形与预紧力关系均假定为线性关系，并假定螺栓在工作时是处于类似纯拉伸时的均匀受力状态。传统理论导致以下重要结论：一是螺栓与被连接件之间的刚度比非常重要，并且建议采用细长杆螺栓，因此可以获得较小的应力峰值，提高螺栓的疲劳强度。二是预紧力的太小只影响平均应力。只要残余预紧力大于零，就不会影响应力幅值。也就是说，预紧力在连接中对疲劳强度不起重要作用。上述结论，在很多情况下是不正确的。 1.2 螺栓连接新理论 与传统看法不一样，新理论认为螺栓连接件的受力状态，并不是单纯受拉的模式，而是一种十分复杂的模式，其作用载荷的中心线并不与螺栓中心线相重合，而是一种偏心载荷，
3、在受到外力作用时，由于轴线的不重合，而产生一个杠杆作用，使螺栓受到一个附加扭矩，该扭矩改变了按传统假设的螺栓受力状况： （1）螺栓内侧所承受的应力大于平均应力，且随着预紧力在一定范围内的提高而明显降低。因为当采用扭矩控制法时，最小预紧力的值均以确保螺栓受拉伸时，连杆及连杆盖不致于分离为条件来确定的，而在实际状态中，连杆体的接合面已经分离，迫使螺栓的应力大大增加，造成螺栓断裂。因此，较低的预紧力是非常危险的。 （2）当采用屈服点控制法时，预紧力得到提高，螺栓所承受的交变应力范围大大缩小 ，也就是说提高了约 80%的安全系数。这正说明了现在高精度螺栓拧紧中，屈服点控制法和旋转角度控制法逐步取代扭矩
4、控制法的原因。 2.几种螺栓拧紧方法的分析 2.1 扭矩拧紧法 通过螺栓扭矩值来控制被连接件的预紧力。这是最常用的拧紧方法，操作简单、直观。拧紧螺栓时的预紧力与拧紧力矩见公式 1-1：Q0=M Ktd10-3 （1-1） ，式中 Q0预紧力，N；Kt计算系数；d螺栓的公称直径，mm 系数 Kt 与螺纹表面及接触面的光洁度、润滑状况、拧紧速度、所用拧紧工具以及反复拧紧时的温度变化有关，通常在 0.10.3 之间变化，导致预紧力 Q0 也发上较大变化，变化范围大约在 40%左右。所以，使用扭矩拧紧法拧紧螺栓，其优点主要是可选用各种扳手，扭矩参数容易测量，螺栓可以重复使用，且各国均经过了大量试验，各
5、种扭矩参数估计的经验已十分丰富，便于产品和工艺设计时的选择。由于可以满足二级以及以下精度的螺栓连接质量，故可以用于绝大多数的螺栓连接。其主要缺点是连接螺栓预紧力 Q。的离散度很大，精度不易得到控制，为了获得相对高一点的拧紧精度，必须对扭矩系数进行大量的试验，并相应建立较繁杂的应用标准，而且增加了一些工作量，工作效率降低，操作者不喜欢使用。 2.2 弹性区域旋转角度拧紧法 螺栓拧紧时的旋转角与螺栓伸长量和被拧紧件松动量的总和大致有比例关系，因而可采用按规定旋转角度来达到预定预紧力的方法。在最初拧紧时，先要确定极限扭矩（即连接密合的扭矩） ，把螺栓一直拧到极限扭矩，在转过一个预定的角度，即为弹性区
6、域旋转角度拧紧法。螺栓伸长量 L 与预紧力 Q0 的关系见式 1-2：Q0=L LEA （1-2） ，式中 L螺栓全长，mm；L螺栓变形伸长量，mm；E弹性模数，MPa；A螺栓的平均截面积，mm2 由于弹性区域内 L 正比于螺栓的回转角度 角，所以 Q0 仅表示变量 角的函数式，只要准确的控制螺栓回转角度，便可准确控制预紧力。弹性区域转角法的优点在于预紧力分散度较小，其平均值可提高到屈服极限的（7080）%，即提高了材料的利用率，也比较可靠。摩擦力的影响仅在开始点以前存在，并将其影响延续到最后。而在计算转角之后，摩擦力对其影响已不复存在，基本上可以避免因摩擦力不同而给扭难控制法带来的苦恼，但弹
7、性系数的影响仍然存在。旋转角度拧紧法主要缺点则是必须配备较昂贵的带扭矩、转角以及扭矩斜率等综合控制与监视功能的扳手。此外螺栓一般不能重复使用。 2.3 屈服点控制法 利用螺栓的塑性变形量，通过旋转角度，把螺栓拧到材料屈服点以后，这就是屈服点控制法。屈服点控制法的优点则主要表现在拧紧精度非常高。应用屈服点控制法时， 应对其形状、硬度和缓慢破坏等方面要有新的认识。为了充分保证螺栓不被破坏，并具有再使用性能。必须加长拧紧螺纹部分的长度和自由螺纹部分长度，还要使用有充分变形量的螺栓；不同硬度大小的螺栓，其硬度会引起预紧力的变化；螺栓抗拉强度在 1177MPa 以上时，由于钢的氢脆往往会发生缓慢破坏，尤
8、其是电镀、酸洗螺栓；为了获得大的预紧力，应提高垫圈的硬度，增大底座接触面积。目前趋向于将垫圈和螺栓连成一体来解决大话问题，并通过对采样数据的平均处理来解决判断数据的不稳定性。 3.结语 螺栓联接的总体性能主要由联接件本身的性能、联接和载荷响应、构成联接总体的装配过程等三个因素决定，高强度螺栓的拧紧分为初拧、复拧和终拧，复拧扭矩应等于初拧扭矩，初拧、复拧的目的是为了使摩擦面能密贴，且螺栓受力均匀。高强度螺栓连接摩擦面应保持干燥、整洁，不应有飞边、毛刺、焊接、 飞溅物、焊疤、氧化铁皮、污垢等，除设计要求外摩擦面不应涂漆。高强度螺栓应能自由穿入螺栓孔，连接副终拧后，螺栓丝扣外露应为 23 扣，其中允许有 10%的螺栓丝扣外露 1扣或 4 扣。为使被连接板叠密贴，应从螺栓群中央顺序向外施拧，即从装置中刚度大的中央按顺序向不受约束的边缘施拧。普及扭矩扳手等检验设备的应用，做好相关标准的建立和数据记录的健全工作，切实保证设备螺纹连接的总体性能。 作者简介：赵亮（1981） ，男，山东济南人，大学文化，工学学士，工程师。
