（中广核核电运营有限公司 广东省深圳市 518124）
摘要：为解决电厂励-发联轴器螺栓紧固拆卸及如何修正力矩的问题，本文通过对励-发联轴器的结构和特点，结合励磁机转子摆度的要求，论证联轴器的端面瓢偏值、螺栓紧固力矩值2方面因素对励-发联轴器的安全性能和励磁机转子摆度值的影响，并对调整后的紧固力矩值进行了安全校核，防止发生力矩过大而发生扳手锻炼的现象。
关键词：联轴器；摆度；力矩；断裂；调整
A核电厂1号机组励磁机-发电机转子联轴器螺栓在拆卸过程中出现扳手断裂的情况，通过对扳手进行金相分析后计算得出其许用力矩，与螺栓的设计力矩对比后发现螺栓的紧固力矩超过扳手的许用力矩值导致其六角头断裂。同时，结合励-发联轴器螺栓的功能及设计要求，对其连接螺栓的安全力矩进行计算校核，提出改进方案并在实际中进行应用，为同类设备问题的提供解决方案和参考依据。
1 设备简介
A核电厂5 800 kW无刷励磁机通过采用刚性联轴器与发电机对接。励磁机-发电机2根转子的联轴器通过22颗螺栓连接，承受变压器次级绕组相对相短路所产生的扭矩。并使2根转子处在同一条轴线上，避免引起轴系的不平衡。[2]由于发电机对轮侧设计有导电板，挤占了螺栓的空间，所以导电板处螺栓与其他位置的螺栓规格、结构不一样，22颗螺栓中18颗为销子螺栓和4颗普通高强螺栓，其结构如图1所示。
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图1 励-发联轴器螺栓布置及螺栓结构示意图
励磁机转子的支撑方式为单支承结构，即励磁机只有一个座式支承轴承，另外一端与发电机联轴器相连，发电机有2个端盖式轴承，形成二机三支承结构，需通过逐步增加22颗励-发联轴器螺栓的力矩来实现励磁机转子摆度小于0.127 mm，由于联轴器螺栓强度和传递扭矩要求，联轴器螺栓力矩设计标准为1 650～1 930 N•m，联轴器螺栓力矩不均匀调整量最大不超过280 N•m。
其中，22颗螺栓中18颗为销子螺栓和4颗普通高强螺栓，设计分别使用的是S27和S19的六角头专用扳手（如图2）拆卸和紧固。
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图2 特制套筒六角头扳手S27（左侧）/S19（右侧）
2 问题描述
A核电厂1号机组第2次换料大修（A102）中，在拆除励-发联轴器上4颗普通内六角螺栓时，规格为S19的专用六角头扳手断裂，如图3所示。由图3可知，断裂较平齐，可判断其断裂主要是由于应力过大导致螺栓力矩过大。现场通过盘动转子的方法来消除联轴器的残余应力，并将螺栓盘至水平中分面位置的方法来减少其联轴器张口产生的拉力，再次拆卸仍出现扳手断裂的情况。另外，通过紧固两侧的大螺栓至额定力矩，以减少对轮对螺栓的应力，但仍无法拆卸。因其所处位置限制且扳手为特制专用工具，无法使用其他工具替代。通过磁力钻配合空心钻头将六角螺栓头部钻通，消除螺栓应力和摩擦力后轻松取出。对2颗小螺栓检查螺栓及螺栓孔的螺牙均无损坏。
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图3 特制套筒S19六角头断裂图
3 原因分析
3.1 联轴器螺栓拧紧力矩大小的分析
根据厂家设计标准，励磁机转子摆度小于0.127 mm。在机组大修中根据轴颈摆动情况，通过不均匀调整22颗励-发联轴器螺栓的力矩来实现励磁机转子摆度在标准要求内。由于联轴器螺栓强度和传递扭矩要求，联轴器螺栓力矩设计标准为1 650～1 930 N•m。
为保证励磁机功率运行时轴承的振动幅值、温度处在良好范围内，检修时励磁机转子的摆度值一般控制在0.06 mm以下，并优先使用18颗大螺栓进行励磁机摆度的调整。若大螺栓调整不过来，再通过紧固小螺栓进行摆度的调整。
查询A核电厂1号机组首次大修（A101）摆度调整过程记录，由于大螺栓均已紧固至1 850 N•m，摆度数据仍未达到合格范围内，结合工程安装期间关于4颗普通螺栓的力矩澄清及联轴器瓢偏大值的分布区域来看，在摆度值的调整过程中将4颗螺栓中的2颗螺栓力矩紧固至1 100 N•m，2颗力矩值为1 650 N•m 后，励磁机转子摆度值合格，励-发联轴器螺栓紧固力矩满足厂家的上游文件要求标准。
由此可见，2颗无法使用套筒内六角扳手拆卸的螺栓，为满足A101大修中励磁机转子摆度调整，将其紧固至1 650 N•m的力矩值。
3.2 套筒六角扳手设计的分析
S19扳手六角头从根部断裂，如图2所示，断口沿轴线约45°角的螺旋形斜截面断开，说明六角头扳手材质硬度高，脆性大。对套筒材质进行光谱分析，其主要化学成份如表1所示，结合表1的化学成分查询GB/T 1299—2014《工模具钢》，判断套筒六角头扳手的材质应为6CrW2SiV，硬度HRC≥58，如表2所示。
表1 套筒六角头扳手化学成分质量分数表
S19套筒扳手许用扭矩1 564<1 650N•m，当小头螺栓力矩值超过1 564 N•m时，S19套筒扳手有可能断裂，而无法拆出螺栓。
通过上述分析和计算，S19套筒扳手六角头断裂的主要原因是在摆度值的调整过程中将4颗螺栓中2颗螺栓的力矩值为1 650 N•m，超出套筒扳手许用扭矩，造成力矩值偏大主要是联轴器瓢值偏大的方位集中在2颗普通螺栓处，消除瓢偏对励磁机转子摆度值的影响。
4 处理及改进
结合上述原因分析，对励磁接转子摆度调整和对轮螺栓力矩方面提出改进措施与方案，具体如下：
4.1 控制励-发联轴器瓢偏
联轴器瓢偏是指联轴器端面相对于转子旋转中心的不垂直度。励磁机转子和发电机转子对中完成后，发电机转子轴线和励磁机转子轴线同心。由于励-发联轴器存在瓢偏，当其连接后励磁机转子会绕发电机转子成锥形旋转。因此，联轴器瓢偏是励磁机转子摆度产生的主要原因，在励-发联轴器解体阶段就需对瓢偏进行测量，必要时可通过研磨联轴器端面来消除联轴器瓢偏。
假设22颗联轴器螺栓力矩值全部达到1 650 N•m，经计算联轴器对轮端面的压缩量∆l=σL/E=22ML/（KdSE）=0.20 mm，其中，σ为对轮所受的压应力；L对轮螺栓长度；E弹性模量；M为扭矩值；K为螺栓扭矩系数；d螺栓直径；S为对轮接触面积。在联轴器面贴合的状态下，每50 N•m产生的变形量约为0.005 mm，对摆度产生单边0.020～0.025 mm的变化量。检修时，励磁机联轴器和发电机联轴器瓢偏控制在0.02 mm，即影响摆度的联轴器最大偏差为0.04 mm。当0.04 mm在普通螺栓位置存在时，为了校正摆度，4颗普通螺栓需额外增加约400 N•m力矩。
根据厂家设计标准，励磁机转子摆度小于0.127 mm时，联轴器螺栓力矩最大不均匀调整量为280 N•m，通过力矩调整最多能消除0.03 mm瓢偏。因此，为了能使摆度调整至标准范围内，励-发联轴器允许存在的瓢偏不能超过0.04 mm。为保证励磁机功率运行时振动幅值、温度处在良好范围内，检修时励磁机摆度一般控制在0.06 mm以下，因此，检修时控制励磁机和发电机联轴器瓢偏不超过0.03 m，此外，由于4颗普通小头螺栓易损坏，控制此区域瓢偏不超过0.01 mm。
4.2控制励-发联轴器普通螺栓力矩值
正常情况下，联轴器所传递的功率依靠两半联轴器间的静摩擦力传递，若结合面内的摩擦力足够大，则被连接件之间不会发生相对滑移。在不发生滑移的情况下联轴器螺栓的作用产生摩擦力扭矩为：f= =22*1 650*0.37/0.03=447700N•m，其中：M为螺栓的扭矩值；R为励-发对轮螺栓节圆半径，螺栓的公称直径，取值0.15；n为联轴器上安装的螺栓数量；d—螺栓的公称直径。
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联轴器工况系数K：K=f/Mt=12，联轴器可传递的扭矩是额定扭矩的12倍远远大于额定扭矩。
工程安装期间在进行励磁机转子摆度调整过程中，发现4颗普通螺栓难以旋转，发文给厂家澄清答复，在摆度值调整合格的情况，4颗标准螺栓最小力矩可保持为1 000 N•m。根据厂家给出的力矩澄清，通过机组设计特点及要求，结合上述计算过程，对联轴器的4颗标准螺栓力矩由1 650 N•m降至1 000 N•m安全性校核，其K值为10倍远远大于额定扭矩。因此将4颗特殊小头螺栓力矩减小至1 000 N•m不会影响联轴器的功能和安全。
通过上述分析，制定后续机组大修中控制要求和预防措施为：
（1）4颗小头螺栓不作为摆度调整，则建议力矩保持为1 000 N•m，如果参与摆度调整，则力矩值控制在1 000～12 00 N•m之间；
（2）励-发联轴器解体时测量记录瓢偏大小和方位，若测得最大值在4颗普通螺栓对应区域，则进行打磨处理。
在A102大修中，测量励-发联轴器瓢偏方位在AB螺栓（普通螺栓）处，值为0.015 mm，，经对联轴器端面处理，测量瓢偏值为0.01 mm，本次大修中，励磁机转子摆度调整过程中，A/B/C/D螺栓未参与摆度调整，紧固力矩为1 000 N•m，摆度值为0.06 mm合格。截止目前设备运行状态良好，励磁机轴承振动、温度良好。
5 结束语
通过对套筒扳手许用扭矩和螺栓紧固力矩的计算和分析，得出S19套筒扳手六角头断裂的主要原因是联轴器瓢值偏大，在摆度值的调整过程中将4颗螺栓中2颗螺栓的力矩值为1 650 N•m超出套筒扳手许用扭矩。同时从励磁机转子摆度调整工艺最主要的关键点在于控制励-发联轴器瓢偏及其方位作为维修制定方案的重要依据，采取摆度值控制和力矩调整，在A102大修中成功实施，设备运行至今状态良好、运行参数稳定，对汽轮同类型缺陷原因的排查和处理具有一定的参考意义。
参考文献：
[1] 中国计量科学研究院.黑色金属硬度及强度换算值：GB/T 1172—1999[S].北京：中国标准出版社，1999：6-7.
[2] 陈斌.5800kW无刷励磁机运行维护手册[Z].上海：上海电气电站设备有限公司上海发电机厂，2014：14-15.