浅析液压拉伸器与液压力矩扳手的使用要点
王 乐 远 陈 庆 长
中油吉林化建呼和浩特项目部
2012年11月18日
摘要：
工艺管线是石油化工装置的核心，在装置的生产过程中，因螺栓紧固问题而造成的各类事故所占的比例较高，主要体现在公称直径较大的高压管道的密封泄漏上，随着科技的发展，液压工具已成为目前石油化工装置建设中不可缺少的工具，本文主要介绍液压力矩扳手和液压拉伸器的紧固原理及参数区分，以免使用者对数据把握不准而造成螺栓紧固力不到和超出螺栓屈服强度等事情发生，从而提高施工进度，保证施工质量及装置的安全、稳定、长周期运行。 关键词：螺栓、液压、紧固
浅析液压拉伸器与液压力矩扳手的使用要点
1、前言
液压拉伸器与液压力矩扳手是紧固螺栓重要工具，他们广泛应用于船舶工程，石油化工，建筑，电力，矿山，冶金等行业的施工，检修，抢修等工作中，它们对于大规格的螺栓的安装与拆卸都是一种十分重要的工具。它们的使用不仅可以减轻劳动强度，提高工作效率，而且极大的提高安装质量，也有利于现场安全管理。
由于液压拉伸器和液压力矩扳手的形式有多种，其配用的电动油泵、气动油泵及手动油泵也均有多种型号，它们的具体的操作方法本文不详细描述，使用时须参考使用说明书。 2、工作原理
2.1液压拉伸器的工作原理
液压拉伸器的工作原理是利用液压油缸直接对螺栓施加外力，使被施加力的螺栓在其弹性变形区内被拉长，螺栓直径微量变形，从而使螺母易于松动。
液压拉伸器安装螺栓中轴线的位置，用于对螺栓进行轴向拉伸，实现螺栓需要的拉伸量，而正是螺栓的这种拉伸量决定了螺栓紧固所需的夹紧力。螺栓受到拉伸时，螺母会与法兰接触面脱离开来，液压拉伸器下端有一个开口，供操作人员人工转动螺母，通常螺母的转动是通过一根金属拨棍来拨动六角螺母外的一个拨圈来实现的（或直接拨动圆头螺母）。
卸掉液压拉伸器中的油压后，螺母和接合面紧贴，从而将螺栓的轴向形变锁住，也就是将剩余的螺栓载荷锁在螺母里。
液压拉伸器对螺栓施加的载荷与液压缸中的油压成正比关系，这样的设计能够非常精确地留住有效载荷。由于载荷直接施加在螺栓上，且所有作用力都用于螺栓拉长，因此载
荷产生所需的空间可以达到最小。由于其拉伸方式不受螺栓润滑效果和螺纹摩擦大小的影响，因此可以得到更为精确的螺栓载荷。
液压拉伸器提供的预紧力（拉力）与油缸压力的关系示意图
Y 轴
→螺栓拉力K N
X
轴→压力（单位
MPa
、PSi 、Bar 等）
液压拉伸器通常用手动液压泵提供油压，通过液压分配器转换，使用多个液压拉伸器对多个螺栓进行同步拉伸，使整圈螺栓受力均匀，得到均衡的载荷。下图液压泵配合胶管和分配器可实现4个液压拉伸器同时紧固螺栓。
液压拉伸器的拉伸方式对螺栓进行紧固得到的剩余载荷和有效载荷要比力矩方式更大。其拉伸方式更适用于紧固精度要求较高的接合应用，它能使法兰受力均匀地实现接合，真正地防止泄漏。
2.2液压力矩扳手的工作原理
液压力矩扳手（简称液压扳手）是以液压为动力，提供大扭矩输出，它经常用来上紧和拆松大于一英寸的螺栓。液压扭力扳手是由工作头、液压泵以及高压油管组成。通过高压油管，液压泵将动力传输到工作头，驱动工作头旋转螺母拧紧或松开。
液压扳手的工作头主要由三部分组成，框架（也叫壳体），油缸和传动部件。油缸输出力，油缸活塞杆与传动部分组成运动副，油缸中心到传动部件中心这个距离是液压扳手放大力臂，油缸出力乘以力臂，就是液压扳手理论输出扭矩，而由于摩擦阻力存在，液压扳手实际输出扭矩要小于理论输出扭矩。
液压扳手有驱动式液压扭矩扳手和中空式液压扳手两大系列。驱动式液压力矩扳手配合标准套筒使用，为通用型液压扳手，适用范围广。中空液压扳手厚度较薄，特别适用于空间比较狭小的地方。下图为驱动式液压力矩扳手。
液压扳手通常采用电动液压泵站及高压胶管传输来提供油缸压力，根据其工作泵站的结构形式的不同，新型的液压力矩扳手大多数也可以使用多个工作头同步对多个螺栓进行紧固，提高紧固效率和尽可能地减小螺栓扭矩值分配误差。
3、液压拉伸器与液压力矩扳手的适用范围
▲液压拉伸器的适用范围
根据液压拉伸器的使用原理（拉力作用在螺柱上），需要螺柱上螺纹的剪力提供拉力，因此它适用于螺栓较长（螺柱超出螺母40~50mm，根据支撑桥的高度不同，甚至需要超出50mm 以上）的法兰口紧固。
由于液压拉伸器有支撑桥（或称为支撑环），其螺母的高度还应低于液压拉伸器支撑桥的高度，且应留出不少于拉伸长度的距离。（正常情况下，液压拉伸器的支撑桥可以适用于按照国家标准制作的相对应规格螺栓的螺母）
注意：非特别必要的情况下，大家不要自己制作支撑桥，容易造成拉伸头的损坏。若一定要现场加工制作，应与
制造厂家取得联系，并保证加工面的尺寸精度和粗糙度。
▲液压力矩扳手的适用范围
液压力矩扳手需要通过传动部件连接套筒方可实现螺母旋动，因此其所适用的螺栓不可过长，螺柱超出螺母长度需根据根据套筒的形式（长套筒、短套筒等）而小于一定范围。
此外，现场紧固时，可能会受作业空间环境所限，必要时需采取相应措施（如：与设计人员沟通更换螺栓等），以创造条件来满足现场紧固工具的使用。 4、使用中应注意的问题
4.1两者输出数值的区别
操作人员对液压工具的输出数值把握不准易造成以下两种后果： 螺栓预紧力不满足紧固要求
螺栓预紧力超出螺栓屈服强度极限，导致螺栓损坏 ▲液压拉伸器的输出值：
通过螺栓的不同规格和材质，确定预紧力值（见表4.1.2），再通过厂家提供的专属型号的拉伸头数据对照表（即油缸压力P —MPa\bar\PSi→螺栓预紧力F —KN ），确定油缸压力。油缸压力与预紧力的对照表是通过理论公式P =F ⨯10-3计算得出的。式中：
S
P ——油缸压力读数MPa （见本文4.1.1—压力单位值换算） F ——螺栓的预紧力KN （见本文4.1.2—螺栓预紧力值的确定）
S
——油缸的受压面积mm 2（拉伸器的内部油缸结构设计值，是固定不变的） ▲液压力矩扳手的输出值：
根据液压力矩扳手的力矩原理，不同型号的力矩扳手由于力臂不同（“油缸中心到传动部件中心这个距离是液压扳手的放大力臂”，前文有介绍），其工作头的最大输出力矩及
力矩与油缸压力的比例关系是不同的，因此不同规格和材质的螺栓，参照表4.1.2选取预转扭矩值后，必须参照制造厂家提供的专有力矩转换对照表来确定液压泵站的进油压力。
4.1.1压力单位值换算
下图为某个液压泵上的压力指示表，共有三种压力单位读数，即PSi 、bar 、MPa ，该压力表的数据指示较全面，可以直观的读出所需要的油缸压力，但部分油泵上压力表（或可能为自行装配的压力表）没有像该压力表一样将各种压力单位及刻度全部注明，而我们中的许多人对压力单位不能够深刻的了解，因此本说明的目的是对这三种压力单位做出详细解释，以便能够正确快速的换算压力数值。
①工程上常用的是MPa （兆帕）：1MPa=1000000Pa（压力的法定单位“帕斯卡”） 1Pa=1N/㎡（牛顿/平方米）
②PSI 英文全称为Pounds per square inch，为英制受压单位（欧美国家使用）。P 是磅pound ，S 是平方square ，I 是英寸inch 。
根据单位换算1pound （磅）=0.4536 Kg（千克）和1inch （英寸）=25.4mm（毫米）
0. 45360. 4536⨯9. 82可得：1PSi =1pound =K g /mm =(N /m 2) =6890. 2P a =0. 00689MP a 222-6
1inch
25. 4
25. 4⨯10
即1MPa （兆帕）=145.1337PSi（磅力/平方英寸）
③bar （巴）即所谓标准大气压力，指在零摄氏度（0℃）条件下，在纬度45度的海平面上，所受到的大气压力（干燥空气），经测量相当于760mmHg （汞）/cm2，即每平方厘米承受760mmHg 的压力。
设想为底面积为1cm 2的760mm 汞柱，其质量m=ρ(汞的密度13.6×103Kg/m3) ×ν（汞柱的体积m 3）
计算可得m=1.0336Kg，其重量G=mg=1.0336Kg×9.8（重力加速度）=10.13N（牛顿）
1bar=G（760mm 汞柱自重）/S（汞柱底面积）=10.13/10-4=101300Pa=0.1013MPa≈0.1Mpa。 以上所介绍的为基础物理知识，有些赘述，但可帮助理解记忆，综合本节①②③的说明和计算，可得三个单位的换算公式：1MPa=145.1337PSi=10bar
1PSi=0.00689MPa=0.068bar 1bar=0.1013MPa=14.702PSi 4.1.2螺栓预紧力值的确定
国内螺栓的抗拉强度一般依据德国工业标准，根据紧固原理和相对应螺栓材料的抗拉强度，可以计算出螺栓的最大预紧力，通常使用液压工具进行螺栓的紧固一般不高于螺栓最大预紧力的70%。
液压拉伸器与液压力矩扳手的紧固原理从深处考虑，均为螺栓被拉长，在塑性变形内产生的拉力作为紧固力。
相对液压拉伸器，仅需知道螺栓的最大预紧力，便可通过厂家提供的对照表或计算得到油缸拉力进行紧固操作。
液压力矩扳手的转矩计算则非常复杂，除考虑螺栓最大预紧力值之外，还需考虑螺栓的螺纹公称直径、拧紧力矩系数（与螺母与受压接触面的摩擦力有关）等等，它的计算涉及到了一定的专业领域和微积分知识，对此有兴趣的同志可以查阅相关文献资料进行深入了解。
综合对比了若干个液压拉伸器与液压扳手，根据多个厂家提供的螺栓预紧力值，预转扭矩值，参照机械部标准，我们在石油化工管道施工时，使用液压工具紧固螺栓时可以利用下表提供的数值（请注意表格说明）：
4.2操作注意事项
4.2.1防止使用时超出拉伸器的活塞行程
使用中，工艺要求对螺栓进行多次拉伸紧固的，在螺母一次紧固到位后，液压油泵应按操作程序泄压，再将拔杆插入液压拉伸器拨孔，顺时针拨动使活塞复位，活塞复位后再按上述方法进行紧固，直至满足工艺要求。
液压拉伸器有多种形式，有的液压拉伸器可直接通过反向作用力自动复位活塞。 4.2.2液压工具使用的过程监控
在使用液压工具时，应注意观察液压泵的工作状态、力矩扳手的工作状态、拉伸器的活塞的运动状态以及高压胶管的密封状态等，若出现异常情况，如扳手的跳动或颤抖等现象，要立即停止使用，查明原因，消除隐患。
4.2.3螺栓载荷均布的紧固要点
为最大化的实现螺栓载荷均布，操作时要注意螺栓紧固顺序并保证同一个法兰上所有螺栓的紧固力一致。
多个液压工作头同步进行螺栓紧固时，应对称设置；单个液压工作头进行螺栓紧
固时，应对角线顺序进行紧固。每个螺栓在紧固后要及时做好紧固标识，以免遗漏或重复紧固。
分多次紧固时要记录第一次加压所保持的压力值，从而给之后的加压提供参考。
螺栓紧固顺序如下示意图：
4.2.4其他注意事项
拉伸器及力矩扳手的型号、形式有很多种，且液压工具的费用一般较高，使用前要仔细阅读说明书，尤其要牢记需要注意的事项，螺栓紧固时应由经验丰富的技术工人进行操作，最好有工程师进行监督使用，确保万无一失，以免造成不必要的经济损失。 5、结论
随着科技的发展，液压工具将在石油化工建设中普及，尤其在高压管道的施工中，它已经成为不可缺少的工具。它具有实用性、精确性等优点，许多人对液压工具的使用较为生疏，我们应该跟上时代的进步，熟练的运用新设备，针对不同的现场情况，合理正确的选用工具有助于我们保证施工进度，提高施工效率，保证施工质量以及装置的安全稳定、长周期运行。 6、参考文献
[1]《液压转矩扳手》JB5557-2007 中华人民共和国发展和改革委员会 [2]《物理》——九年制义务教育教科书 人民教育出版社 [3] 刘鸿文 2004年《材料力学第四版》 高等教育出版社； [4]《PLARAD MSX/T 400型力矩扳手说明书》 [5]《The RTS series Hydraulic Bolt Preloader说明书》 [6]其他国内外液压拉伸器及液压力矩扳手使用说明书
浅析液压拉伸器与液压力矩扳手的使用要点
目 次 表
1、前言 . .......................................................................................................................................... 3
2、工作原理 . .................................................................................................................................. 3
3、液压拉伸器与液压力矩扳手的适用范围 . .............................................................................. 5
4、施工中应注意的问题 . .............................................................................................................. 6
5、结论 . ........................................................................................................................................ 10
6、参考文献 . ................................................................................................................................ 10
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