25-输电线路铁塔用高强度螺栓的设计、应用及注意事项

25-输电线路铁塔用高强度螺栓的设计、应用及注意事项输电线路铁塔用高强度螺栓的设计、应用及注意事项董建尧何江（华东电力设计院上海200063）【摘要】本文通过对8.8级、10.9级高强度螺栓在输电线路工程行业内外应用情况的介绍，总结了输电线路铁塔用高强度螺栓设计、加工、施工应用时应注意的事项，供线路结构专业的同行参考。【关键词】铁塔高强度螺栓设计应用注意事项1问题的提出与由来以往，110～500kV输电线路铁塔所使用的螺栓大多为4.8级和6.8级粗制螺栓，一般M12、M16用4.8级，M20、M24用6.8级，现在由于4.8级和6.8级螺栓的价格差别不大，而且一个6.8级螺栓可以解决许多受力不大的辅助构件却用两个4.8级螺栓的实际问题，一些设计院已经统一将螺栓的级别规定为6.8级，也避免了出错。超高压输电线路发展到目前，各个地方出现了750～100kV特高压、大截面导线、四回路铁塔和许多大跨越工程，在走廊日益资源日益紧张的今天，这些新技术也将得到进一步的推广和应用，这不仅对线路铁塔的型材材质提出了更高的要求，同时对连接螺栓的级别也提出了更高的要求，尤其在主材连接、横担与主材接头以及其他受力较大的部位，以往常用的4.8级、6.8级螺栓已经无法满足设计与构造的要求，这样，8.8级以上级别的高强度螺栓的应用被提了出来。目前在输电线路、变电构架等塔架设计中，很多设计院已经在使用8.8级以上高强度螺栓螺栓，但在应用的过程中有的或多或少的存在一些问题。这些问题，可能是由于设计螺栓布置不合理、应力裕度太小引起的，可能是由于原材料材质不稳定、离散性太大引起的，也有可能是加工过程中热处理、除锈、热镀锌工艺不合理引起的，或者是施工单位施工过程中扭紧次序、扭力控制不合理引起的，由于这一些不确定的因素，使得8.8级以上的高强度螺栓在应用上遇到了挫折，本文拟通过对高强度螺栓的设计、加工和施工情况的探讨性介绍，供设计同行参考。2行业内外使用高强度螺栓的情况介绍目前，行业内我院和中南院在输电线路铁塔上使用8.8级以上螺栓比较频繁。中南院自1999年开始已经在500kV输电线路角钢塔上广泛采用8.8级M24的高强度螺栓，用的效果很好。我院在500kV普通线路角钢塔上还没有使用案例，但几乎在所有的大跨越铁塔上和500kV线路钢管塔上也得到了广泛的应用。以下是我院使用高强度螺栓的部分工程情况简表。我院设计的输电工程使用8.8级以上高强度螺栓的情况简表表1在变电构架上，包括中南院、东北院、华北院等也在使用8.8级或10.9级的高强度螺栓，使用的螺栓规格大多是M20、M24两种规格。在行业外，随着我国钢结构工业厂房、民用建筑、道路桥梁、塔桅结构和起重机械等建筑及构筑物的规模化和大型化，大量的高强度螺栓的被广泛地应用于这些结构中。例如上海金茂大厦、北京奥体中心、洋山深水港等一大批国家重点工程的建设，使得8.8级至12.9级的高强度螺栓不同级别的高强度螺栓得到了充足的应用，以下是国内某高强度螺栓厂近年来的部分业绩表。某高强度螺栓厂近年来高强度螺栓配套项目（简摘）表23输电线路用高强度螺栓的设计3.1高强度螺栓的设计依据及技术参数和建筑、桥梁等结构所使用的摩擦型或承压型的型式不同是，输电铁塔所用的高强度螺栓实际上高强度的粗制螺栓，也就是说强度满足相应的级别（8.8级及以上）但加工标准还是大六角头螺栓（GB/T5780），其受剪、受拉的计算公式也仍然采用普通螺栓的计算公式，即：Nvb＝nv×π×d2×fvb/4（受剪）Ncb＝d×∑t×fcb（受剪）Ntb＝π×de2×ftb/4（受拉）式中：Nvb、Ncb、Ntb－每个螺栓的剪力、承压力、拉力设计值；nv－螺栓受剪面数目（单剪为1，双剪为2）；d、de－螺栓杆直径、螺栓干螺纹处的有效直径；∑t－在不同受力方向中一个受力方向承压构件总厚度的较小值；fvb、fcb、ftb－螺栓的抗剪、承压、抗拉强度设计值（见下表）。高强度螺栓厂强度设计值表3一般，一套高强度螺栓包括一件螺栓（杆）、两件螺母（双帽）和一件平垫圈，螺栓、螺母和垫圈机械尺寸和机械性能满足如下标准：《紧固件机械性能－螺栓、螺钉和螺柱》（GB/T3098.1－2000）《紧固件机械性能－螺母、粗牙螺纹》（GB/T3098.2－2000）《六角头螺栓－C级》（GB/T5780－2000）《Ⅰ型六角螺母－C级》（GB/T6170－2000）《平垫圈－C级》（GB97.1－85）3.2高强度螺栓的规格选择在输电线路铁塔中，螺栓的受力状态不外乎受剪、受拉和同时受剪拉3种（对于钢杆管，螺栓还受拉弯作用），受剪拉的螺栓一般发生在挂线点、横担连接处等局部位置。对于受剪螺栓一般用在角钢塔的连接和钢管塔的插板连接中，螺栓的布置数量一般不会受到剪力面的局限，所以大多数情况下均可以布置成小直径的螺栓。而受拉螺栓一般用在钢管塔的法兰连接中，螺栓的布置数量受到法兰周长的影响，所以当构件受力较大时，往往要布置较大直径的螺栓。通常，计算和选用螺栓规格时，原则上在满足受力要求和螺栓间距布置的前提下尽量采用小直径的螺栓，在满足强度要求的前提下尽量采用低级别的螺栓。对于M24及以下的高强度螺栓，螺栓厂在设备上、工艺上均比较容易做到，对于M27及以上的高强度螺栓，螺栓厂一般均需要定制，根据国家标准的要求和市场上对于圆钢原材料的难易程度，常用的大直径螺栓有M30、M36、M42、M48、M56、M64，不常用有M27、M33、M39、M45、M52、M60，但是如M27、M39、M45、M52我们在不同的工程中也都有应用。3.3高强度螺栓的材质选择高强度螺栓一般用优质碳素结构钢或合金结构钢经热处理（淬火并回火）后制成。原材料圆钢的选用首先考虑的是钢材的强度因素和热处理稳定性因素，其次考虑市场采购和价格因素。原材料的合理选用将直接影响高强度螺栓的性能和热处理的效果。输电线路粗制钢强度螺栓的常用的原材料及性能、应用情况见下表：输电线路粗制钢强度螺栓常用材料性能和应用情况表4表中，σb、σs－抗拉强度、屈服强度；δ5－断后伸长率；ψ－断面收缩率；Aku2－冲击吸收功。从表5来看，35CrMo、42CrMo钢塑性和韧性均较好，而且通过热处理手段来提高钢材强度也较为容易（硬度相对较高），而且该合金结构钢市场上采购也相对比较容易，材质稳定性也较有保障，是目前市场上比较理想的大直径高强度螺栓用钢，对于直径小于M24的螺栓也可以采用高碳钢或20MnTiB钢来加工。当然每个螺栓厂针对不同的螺栓级别、螺栓直径都有各自的一套选材标准，设计人员可以通过多了解、多比较来配合螺栓厂来合理的选用原材料。4高强度螺栓加工、检验和施工要求4.1高强度螺栓的加工及防腐要求热处理工艺技术是直接影响成品螺栓的整体性能的关键加工工序。热处理的设备、环境、温度控制、工艺措施有时候会起着相当重要的作用。通常小直径螺栓比大直径螺栓更容易处理，低级别螺栓比高级别螺栓更容易达到要求。处理不好，硬度太低，强度不够；硬度太高，螺栓可能产生硬脆。有些螺栓厂为了使高强度螺栓在经过500多度高温的锌液浸透后强度仍能满足设计要求，往往在热处理时，把淬火温度调得很高，硬度超过《国家标准》的上限。这样一来，虽然强度提高了，但材料的韧性变差，脆性也随之变大。在随后的螺栓使用过程中极易产生没有征兆的脆断。高强度螺栓的防腐在其他结构上有许多措施，一般有热镀（浸）锌、渗锌、发黑造化、达克罗、刷漆等。而电力行业内，国家标准《输电线路铁塔制造技术条件》（GB2694）和电力行业标准《110～500kV架空送电线路设计技术规程》（DL/T5092－1999）、《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》（DL/T5152－2002）都规定了热镀（浸）锌作为钢材（包括螺栓）的防腐措施。但对于8.8级及以上的高强度螺栓，采用热镀（浸）锌的防腐措施，国内外均比较谨慎，那是因为在镀锌之前有一道酸洗除锈工序会造成螺栓氢脆断裂的发生。但如果热镀锌工艺上避开酸洗这道工序（使氢原子没有机会接触螺栓），那么就会大大减小氢脆现象发生的机率。所以应用了“抛丸（砂、钢）”工艺代替了酸洗，除锈效果也较为理想（费用可能会高些），可以在一定程度上控制螺栓突然脆断的危险。另外，对通过镀锌工艺（溶液、温度、时间）的控制和改进，可以最大限度的保证成品螺栓的强度和韧性不至于损失太多。对于其他防腐措施虽然也有应用，但防腐效果大都不及热镀（浸）锌。渗锌的螺栓虽然表面比较美观光滑，但防腐寿命较短；发黑造化因其防腐能力较差一般不用于输电线路结构；而达克罗技术虽然近几年有了一定的发展，但应用效果不是十分理想；而热镀（浸）锌是被同行普遍认可最有效的且已具有几十年的运行经验的铁塔防腐措施。4.2高强度螺栓的检验按照惯例，螺栓原材料通常由市场上采购，钢厂对圆钢原材料的质量检验一般按炉批号抽检，但在市场中，可能存在不同炉批号甚至不同厂家的原材料在同时销售，这给原材料的质量追溯造成了困难。而即将用到高强度螺栓的输电线路一般均为重点项目，所以对于加工高强度螺栓的原材料圆钢，除了钢厂必须提供同炉号、批次的检验合格证明外，螺栓加工厂必须对这批原材料作常规的理化检验和外观质量检查（裂纹等），有必要的话甚至可以用磁粉探伤进行抽检，甚至直接定点原材料钢厂。对于螺栓成品的出厂检验，除应该提供螺栓产品自检合格报告外，还应由业主委托有资质的第三方（例如材料研究所、紧固件产品质量检测中心等权威机构）做强度、硬度、塑性等指标的抽检，以确保成品螺栓的质量。4.3高强度螺栓的施工要求输电线路铁塔用高强度粗制螺栓不需要依靠摩擦来传力，所以螺栓只须拧紧即可正常运行使用。而且由于镀锌螺栓由于锌层厚度分布不均匀、摩擦系数离散性较大，使得在扭矩值相等的前提下，螺栓之间的应力（尤其是受拉螺栓）也相差较大。因此，设计对螺栓的施工紧固扭矩值不必要求太高，根据以往工程经验和参考欧美一些国家的有关资料，一般高强度螺栓的紧固扭矩值仍然可以采用《110～500kV架空送电线路施工及验收规范》（GB50233－2005）》表6.1.6来施工（误差±5％）。对于大直径螺栓可以采取同应力原理的方法进行计算，所以，建议高强度螺栓的紧固扭矩值不宜超过如下表5的数值，对于扭矩较大的大直径螺栓可以采用拧紧用力矩（放大）扳手来进行紧固。高强度螺栓紧固扭矩值表55总结及应用上的注意事项尽管10.9级和8.8级高强度粗制螺栓在工程上均有成功应用的案例，且也已经列入了《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》（DL/T5154－2002）中。但由于近几年在使用的过程中陆续出现了一些断裂现象，使得设计院对高强度螺栓的应用有一些顾虑，但根据我院的应用经验来看，市场上反映较好的一些厂家生产出来的螺栓往往质量都比较稳定，而一些规模较小、业绩较少厂家的产品质量有待于提高。对于高强度螺栓的设计与应用，应注意以下几个问题：（1）配合业主选择业绩较好的厂家，一般，螺栓厂应该提供生产规模及供货能力，加工、检测、试验设备，热处理及镀锌设备、工艺等情况的说明报告。附上类似线路（电力）工程8.8级及以上镀锌高强度螺栓的供应业绩（包括工程名称、规模，配套生产的螺栓规格、数量，实际运行情况等）。（2）配合螺栓厂谨慎、合理地选择原材料的钢牌号，严格控制原材料的质量关，对原材料的材质不仅需要做常规的理化检验，对每一根圆钢做目测检查，有必要时，还需要做探伤检查，将不合格的原材料排除在加工工序之前。（3）设计的原则是在满足承载力的前提下尽量采用小直径的螺栓。不仅因为数量相对多的小直径的螺栓比数量相对少的大直径螺栓安全可靠性要好，而且在机加工、热处理和拉力试验中，小直径螺栓更容易操作。（4）螺栓厂应对不同级别、规格的高强度螺栓的加工、制造有专门的工艺措施，尤其是热处理等调质过程应有特殊的控制工艺，以防止淬火和退火失控以及严重的渗碳现象以及螺栓表里硬度差过大，影响螺栓的机械性能。（5）螺栓应仍然采用热镀锌防腐措施，应单独成批热镀锌，不允许与其他不同的构件混镀，但对于镀锌工艺和过程（镀锌温度、时间、冷却、清洗）需要合理控制，应优先采用抛丸等物理的除锈工艺，最大限度的避免氢脆的发生。（6）螺栓紧固值不宜太大，防止因超拧而使螺栓一直处于高应力状态下。螺栓的紧固应采用力矩（放大）扳手，螺栓的拧固次序应当按照事先设定程序进行操作，最大限度的避免螺栓群的受力不均。参考文献［1］《螺栓和铆钉连接设计准则指南》（GuidetoDesignCriteriaforBoltedandRivetedJoints）[美]J.W.费雪J.H.A.斯特鲁克著人民交