专利名称:速接螺栓及其紧固力的调整方法
本发明涉及连接构件用的连接螺栓，具体地说，涉及具有能简便地调整对被连接构件紧固力的结构的连接螺栓及用这个连接螺栓调整紧固力的方法。
历来，汽轮机等机器的壳体和凸缘是用连接螺栓相互连接的。预先调整该连接螺栓的紧固力以使机器运转的温度保持规定值。
下面，以汽轮机壳体的连接部分为例来说明历来使用的连接螺栓。
图8是表示一般汽轮机结构的剖面图。这个汽轮机，在外部壳体1里装有内部壳体2，在该内部壳体2里装设带有涡轮叶片3的转子4。另外在外部壳体1上开有蒸汽输入口5，在这个蒸汽输入口里装有可伸缩的连接管6，而连接管6则与内部壳体2上的环状喷嘴箱7连接。还有，在内部壳体2的内壁上安装带有喷嘴8的喷嘴隔板9。这个喷嘴隔板9和涡轮叶片3一起形成汽轮机冲击级。在外壳1的两端装填压盖填料10形成对转子4轴封的密封结构。
在这个汽轮机中，高温高压的蒸汽从蒸汽输入口5经连接管6流入喷嘴箱，从喷嘴口出来成为高速流体，并被引导冲击在涡轮叶片3上，这时，通过涡轮叶片3使动能加到转子4上。随后通过在各个喷嘴隔板9上形成的喷嘴8再次成为高速气流，并被顺次导入下一个涡轮冲击级上。通过最后一个涡轮冲击级的蒸汽，经过高压汽轮机出口11再次被送到中压或低压汽轮机中去。
如图9所示，一般来说密封安装转子4的外部壳体1和内部壳体2，是以水平面分成上下两部分的状态下搬运到现场的，并且被分开的壳体1a、1b、2a、2b通过用两头紧固形式的连接螺栓12和紧固螺母13连成一体组装而成。
还有，为了确保壳体的刚性强度，把作为分离壳体的连接面凸缘部分14作成厚壁形式。把连接螺栓12插入凸缘部分14内，用紧固螺母13把连接螺栓牢固地紧固，这样就可确保壳体内压的密封性。
在计算作用于使汽轮机的内外部壳体1、2一起连接成为上下成对的壳体的连接螺栓12上的作用力时，不仅要计算单个壳体1、2内的蒸汽压，还要加上为使上下的壳体牢固地连接而引起的在螺栓轴向方向的拉伸应力，以及运转时阻止由高热蒸汽引起热变形的应力。因此，把全部的应力加起来算得的应力达到了作用于连接螺栓的较大值。
为了承受这么大的应力，连接螺栓12要做得很大，例如在500MW的发电用汽轮机中，连接螺栓12的直径竟达165mm。因而，用通常的紧固工具难以紧固。所以，以往采用的方法是，在连接螺栓12的内部打成中空孔，在此中空孔内放置一个电加热器，加热连接螺栓12，在一段时间内使轴向处于热膨胀状态下，把紧固螺母紧固。然而这种紧固方法的缺点是，在加热器的装卸等操作过程，需要大量劳力。
另外，也采用其它的紧固方法，即把在高温下加热后的空气或热容量高的特种气体送入中空孔，以代替电加热器，使连接螺栓在轴向伸长。然而这时存在需要长时间升温操作的问题。而且，这种紧固方法是利用壳体的凸缘部14和连接螺栓12热膨胀差的原理。从而，必需有使凸缘14的温度不随着连接螺栓12的加热一起上升的对策，即必须限制同时加热的连接螺栓个数，长时间地分次进行局部的升温操作，这样做是困难的;并且妨碍操作效率。
再说，在上述利用热方法的场合，为了把螺栓12在高温下加热。易引起构件的热变性，导致材质的劣化，特别是用高温气体加热时，引起中空孔内面的高温氧化腐蚀的可能性很高，有使连接螺栓强度下降的危险。
历来，通过加热使连结螺栓伸长，并在这种状态下紧固的方法，在一般人工不能实现，例如需要50kg.m以上的紧固转矩时被采用。对汽轮机来说直径50mm以上的连接螺栓是使用对象。为了谋求这种连接操作省力、简便还采用油压机构的扭矩板手，但在这种情况下，由于在连接螺栓12上施加扭转作用，必须根据由连接螺栓伸长引起的拉伸应力和由扭转作用引起的剪切应力的组合应力来设计连接螺栓的强度。为此，设计上要求拉伸容许应力控制在连接螺栓弹性极限应力的83%以内，所以就存在不能充分确保紧固力的危险。而且，另一个问题是内装油压机构的扭矩板手是重型设备，需要周围宽畅的操作空间，尤其需要用吊车吊装螺栓板手等，在操作程序上缺泛机动性。
上述问题主要在定期检修等时，进行组装或分解的操作中存在的不方便的改型项目。运转时连接部分的强度管理方面的问题也不少。
也即就是，对于像汽轮机那样在高温状态下使用的机器，特别连接部分的紧固力，由于热膨胀或蠕变现象而发生时效变化，因此需要采取适当增强紧固等的对策。
一般来说，在设计上通过选定材料，使被连接构件和连接螺栓的热膨胀系数接近，从而提出使热膨胀引起的影响相互抵消的对策。
然而，在大范围温度变化时仍有蠕变现象，连接螺栓的紧固力，即连接螺栓本身的压紧应力，如图10所示，随时间下降的例子不少。特别是在连接螺栓与被连接构件的组合中，当连结螺栓的热膨胀系数大于被连接构件的热膨胀系数时，则存在随着运转温度的上升连接螺栓的紧固力下降，以及蒸汽等高压流体泄漏的危险。这个倾向，随着根据需要在短时间内频繁地改变运转温度的运转方式的普及而更加明显。
作为防止由于这种热膨胀引起的连接螺栓的紧固力降低的对策，对以往的汽轮机，如图11和图12所示的那样，安装连通壳体的凸缘部分14上若干个螺栓孔20的蒸气导入管34，并向该蒸汽导入管34通入规定温度的蒸汽，以使连接螺栓主体15冷却，或者提高被连接构件即壳体凸缘部分14的温度，防止紧固力的下降。
然而，一般来说凸缘部分14壁层较厚，面积大，热量难以传递到内部，而且因运转条件不同，热容量小的螺栓主体往往比凸缘部分先膨胀延伸，所以存在紧固力下降，引起蒸汽泄漏的危险。
本发明是为解决上述的问题而申请的，第一个目的是，在进行被连接材料的连接操作中，使其操作效率显著提高，同时防止随连接操作产生的连接螺栓材料的劣化，并提供高可靠性的强度的连接螺栓。
本发明的第二个目的是，提供即使在机器运转的条件下，也能根据运转条件变更而随机应变，迅速且容易地调整连接螺栓的紧固力的连接螺栓紧固力的调整方法。
涉及本案第一个发明的连接螺栓，其特征是，在扭紧紧固螺母连接被连接构件的连接螺栓上，在穿过连接螺栓主体轴向的中空孔内装有活塞，用管口塞封住上述中空孔的开口端，同时在上述活塞周围装有密封材料，用它把中空孔内部分隔成加压流体导入用的加压空间和可以导入热介质的温度调节空间。
与本案第二个发明有关的连接螺栓紧固力的调整方法的特征在于在连接螺栓主体的轴向上开设中空孔，在该中空孔中借助于密封材料装有一个活塞，在活塞的一侧形成导入加压流体的加压空间，同时在活塞的另一侧形成导入热介质的温度调节空间，向上述温度调节空间送入热介质后，把连接螺栓调整到规定温度。在上述规定温度下，算出定为目标的紧固力作用时连接螺栓上产生的延伸量，向上述加压空间内送入具有能带来这个延伸量的压力的加压流体使连接螺栓延伸，在这种延伸状态下扭紧紧固螺母直至贴紧被连接材料为至，然后放出加压流体使连接螺栓收缩，把连接螺栓的紧固力设定在规定值上。
该发明的作用为当使用涉及本发明的连接螺栓连接构件时，把水或油等加压流体送到在活塞的一侧形成的加压空间，使连接螺栓主体沿轴向延伸，在这种延伸状态下，如果用常用的工具扭紧紧固螺母，然后放出加压流体，则解除了在连接螺栓的轴向上作用的伸张应力，连接螺栓的紧固力被设定在规定值上。
进行连接的操作中，连接螺栓的温度与设计温度相差很大，则把热介质送入活塞另一侧形成的温度调节空间，并调整至运转条件下的设定温度或设计温度，然后进行连接操作。根据这种温度调整，可以准确地设定适合运转条件的连接螺栓的紧固力。
实施例下面参看本发明的一个实施例。
图1是涉及本发明的一个实施例的纵剖面图。连接螺栓12插入被连接构件、即汽轮机凸缘部分14上开设的螺栓孔20、紧固螺母13a、13b被安装在两端。外径为Dφ的连接螺栓主体15内，沿在轴向开设一个内径dφ2、长L0的中空孔16。在中空孔16内安装一个比中空孔长度L0稍短一些的长L1的活塞17。在图1中，活塞17的顶部周围装着密封材料18。在中空孔16的开口端，装有作为封闭中空孔16的堵孔板，即管口塞19。该管口塞可用螺丝或焊接方法加以固定。
制作螺栓主体15的材料可以采用一般的铬钼钒钢(Cr Mo V钢)或12铬钒钨钢(12 Cr Mo VW钢)。这些金属都易发生热脆性，难以用通常的焊接方法施工，容易产生气孔，并且难以获得良好的密封性。因而，在安装管管塞19时，最好采用焊接热量少、又能获得理想密封性的电子束焊接方法进行施工。
在图1中活塞17的下端与中空孔16的底部邻接，在活塞的上侧、即密封材料18的上侧形成导入加压流体的加压空间21。在管口塞19上装有连接软管23的软管接头24，软管23用来导流从加压流体输送泵22输送来的加压流体。
另一方面，在活塞17的外侧，即图1中，密封材料18的下侧形成为导入热介质的环形温度调节空间25，为了向该温度调节空间25送排热介质的热介质流入口26和热介质流出口27被开设在连接螺栓主体15的底部。而且，热介质流入口26和热介质流出口27通过连通槽28、29与温度调节空间25连通。该连通槽28、29被开设在活塞17的下端。另外，连通槽28、29是热介质的通路，同时还兼作排除通路，该排除通路的作用是把从密封材料18的上侧泄漏到温度调节空间25内的加压流体排到连接螺栓主体15的外面。此外，在连接螺栓内形成的加压空间和温度调节空间的上下次序，也可与图1所示的相反。
下面说明用这个连接螺栓12使汽轮机壳体的凸缘部分14连接起来的方法。
把连接螺栓12插入汽轮机壳体1、2的凸缘部14上开设的螺栓孔20，两端装上紧固螺母13a、13b，用通常的紧固工具扭紧，接着把从加压流体输送泵22伸出的软管23接到管口塞19上的软管接头24上，把加压流体送入加压空间21内。
送入加压空间21的加压流体通过其压力紧压活塞17，使连接螺栓主体15轴向延伸。
可用下式求得这个加压流体使连接螺栓延伸的力F0F0＝ (π)/4 d22×P ……(1)其中，d2是中空孔16的内径，P是加压流体的压力。
另一方面，可用下式求得使有效长为1、外径为D、中空孔内径为d2的连接螺栓12仅仅延伸△1时所必需的力FF＝ (π)/4 (D2-d22) (△l)/(l) ×1……(2)E是连接螺栓材料的杨氏模量。
用下式可求出由(1)式和(2)式给出△1延伸值的加压流体的压力P(P＝( (D2)/(d22) -1)× (△l)/(l) ×E)……(3)据此，可送入具有算式(3)算出的压力P的加压流体，使连接螺栓主体15只延伸△1。另一方面，通过把热介质送入温度调节空间，把连接螺栓调整到规定温度上，在这个状态下用通常的紧固工具扭紧紧固螺母13a、13b，然后排放加压流体使轴向的拉伸应力解除，这样连接螺栓主体15将沿轴向收缩△1长度，但是，受到被连接材料厚度的限制产生使该△1延伸所必需的拉伸力，即作为紧固力。
例如，下面表示前述5000MW级发电用汽轮机在采用这种连接螺栓时所需加压流体的压力计算例。即，设连接螺栓的外径D＝159mm、中空孔径d＝100mm、杨氏模量E＝21000kg/mm2、连接螺栓的延伸率( (△1)/1 )为0.2%时，从(3)式算得加压流体的压力P约为6420kg/cm2。即通过把具有6400kg/cm2的压力的加压流体送入加压空间，连接螺栓的延伸刚好为其有效长度的2/1000。
因而，当采用这种连接螺栓时，因为装有使连接螺栓主体轴向延伸的机构，大大简化了连接螺栓的装接操作，实践证明只要几分钟就能紧固一根螺栓。也就是说在采用以往那种加热器加热方式的传统的连接螺栓时，装接一组汽轮机壳体是三天工程，而采用本实施例的连接螺栓，则2～3小时以内就能完成操作，操作时间可缩短至1/20以下。
而且，在紧固本实施例的连接螺栓的紧固螺母时，只要用通常的紧固工具轻轻扭紧即可紧，所以扭转应力对连接螺栓的作用就小。因而，不同于采用把因扭转而引起的剪切应力和拉伸应力复合的容许应力的旧方法，可以仅仅把对于连接螺栓拉伸的弹性极限应力设定为容许应力，因此强度设计上具有余裕。
此外，在对实施本实施例的连接螺栓的延伸操作时必要的延伸进行管理时，只要注意显示加压流体压力的压力表读数就行，因此显著地简化了操作管理。也就是说，以往所需要的操作程序是很复杂的，在升温前后或冷却后，用应变计等计测器掌握连接螺栓本体的延伸量，在延伸量不足时，再加热后进一步扭紧，放置冷却后再测量延伸量。然而，如果采用本实施例的连接螺栓，就可以全部省去上述程序，有助于大幅度改进操作效率。
另外，由于连接螺栓有用高压流体使之延伸的机构，可在室温下实施紧固作业。因而，与使用电加热器等高温热源的旧方式不同，能够防止连接螺栓主体的热变性和脆化，并从材质和机能两方面提高可靠性。
以上从汽轮机壳体的组装时为例说明了涉及本发明的连接螺栓的使用例，不用说，该使用例同样适用于定期检查等分解壳体时装卸连接螺栓的场合。也就是说，在松开紧固螺母时，把具有比组装时送入的加压流体高出若干压力的加压流体送入，使连接螺栓延伸，在这种状态下，旋转紧固螺母就很容易装卸。
而且，送入加压空间中的高压加压流体可以是非压缩性流体的水或油压动作油，没有特别的限制。
再有，为了提高加压操作的速度，最好使加压空间的容积尽可能小。因此把密封材料装在靠近活塞的加压空间的端部外围处为好。
加压空间的配置位置如图1所示那样，设置在与紧固螺母13a同高面中间部分，这在强度上有利。就是说，通过紧固螺母13a的刚性，可以防止由于送到加压空间21中的加压流体的压力使连接螺栓主体在半径方向上变形。
象组装汽轮机壳体的例子中已阅明的那样，连接螺栓是在常温下进行分解或组装时被装卸的，另一方面，在高温运转时，为了调整紧固力也要调节连接螺栓。因此，如果构成连接螺栓的构件都是由具有相同热膨胀率的材料制成的话，则使活塞和中空孔之间的间隙保持一定，因此很少会发生加压流体从密封部分泄漏出来。
一般采用的密封材料的详细结构如图2至图4所示。
就是说，在图2中，活塞17上部周围处，重叠装有多个密封圈30，为了固定最上层密封圈，在活塞17上采用形成敛缝31的结构，实行对送到加压空间21里的加压流体的密封。另外，图3所示的结构是，在活塞17和连接螺栓主体15间充填石墨填料32。这个石墨填料32也可以是在被压力压溃后压紧并密封加压空间21内面的构造。图4所示的结构是，可以用把环形膜片密封圈33的内外端部，各埋入活塞17和连接螺栓主体15内，构成对加压流体的密封。以上结构均可采用。在使用膜片密封圈33时，因为对于活塞位移的相对位移容许的幅度大，因而是有利的。无论那一种场合，密封材料的安装层数、充填量都是由使用的加压流体的压力范围来决定其最佳构成的。
如用涉及本发明的连接螺栓，即使设备在运转中也能短时间调整活塞。如前所述如果汽轮机等机器在高温状态下长期连续运转，则在连接螺栓上发生蠕变疲劳，连接螺栓的紧固力会逐渐减弱，所以有必要采取适当冷却接合部等方法。
在这种情况下，例如如图5所示，从装设在连接螺栓主体15下端的热介质流入口26注入低温蒸汽。注入的低温蒸汽一面在活塞17四周回转，一边在温度调节空间25内上升，使连接螺栓主体15从内面开始冷却后，从热介质流出口27流出。被冷却的连接螺栓主体15由于沿轴向收缩并牵引紧固螺母13，使紧固力增大。
由于机器的运转条件大范围的变动，为了对温度调节用的热介质温度多方面进行调整，如果采用图6所示的热介质混合器35，则调整操作速度会更快。也就是，把作为热介质的例如高温蒸汽和低温蒸汽分别通过调节阀36、37导入热介质混合器35，就能适宜地把最佳温度的热介质送入。总之，通过调节调节阀36、37的阀开度，经定量混合并调节到规定温度的热介质经过供给管38，从热介质送入口流入温度调节空间25，将连接螺栓主体15冷却或加热，从而增加或减少紧固力。
例如，即使在汽轮机的运转中发生蒸汽泄漏的情况下，只要把冷却用的热介质送入连接螺栓的温度调节空间内，紧固力就能马上增大，防止泄漏。其理由是，在图11和图12所示的历来的冷却、升温结构中，存在缺点是冷却连接螺栓时，被连接部分也一起被冷却，因此出现温度差不易形成，增减紧固力就发生困难。然而，如果用本发明的连接螺栓，则冷却对象只涉及连接螺栓主体，其热容量小，而且热的移动速度快，因此能在短时间内使紧固力增减。
为了在更短的时间内进行连接螺栓主体的温度调节，也可以象图7所示的那样，在连接螺栓主体15的外表面，覆盖如陶瓷等隔热材料39，降低来自外部热量的影响。也就是说，如果从螺栓孔20内面来的热量的交换只限于连接螺栓主体15内，并降低从连接螺栓来的热的影响，那么温度调节能更快。
本发明的效果如下。如以上说明的那样，若采用涉及本发明的连接螺栓，该螺栓困为装有把加压流体导入连接螺栓主体内使连接螺栓主体在轴向自由延伸的机构和能把热介质导入调整连接螺栓主体温度在规定值内的机构，在规定温度下送入加压流体使连接螺栓延伸，在这种状态下只要轻轻地扭紧紧固螺母就能调整到规定的紧固力，所以与历来的方式相比，能大幅度地缩短紧固操作和螺栓装卸操作所需的时间。结果是，能够大幅度地缩短机器定期检查的时间，为提高设备开工率作出较大贡献。
而且，如接受使用涉及本发明的连接螺栓紧固力的调整方法，则不仅在被连接部分的组装或分解时而且在日常运转时也可以根据运转条件的频繁变更简单而迅速地变更调整连接螺栓的紧固力，并能大幅度提高对应于使用机器运转条件变化的跟踪应答性能。
还有，如使用本发明的方法，为了得到规定的紧固力而进行调整操作时的管理项目只是加压流体的压力而已，只要读取压力计的指数就能一次决定对应的紧固力。因而能减少象过去那些驱动复杂计测仪器的繁杂操作，很少发生由于操作员的技术、经验不同引起的调整值方面的误差，从而能实现高精度高可信性的紧固力的调整设定。
图面的简单说明图1是涉及本发明的连接螺栓的一个实施例的纵剖面。图2、图3、图4涉及各自使用作为密封材料的密封圈、石墨填料、膜片密封垫的本发明的连接螺栓部分放大剖面图。图5是用本发明方法说明连接螺栓的温度调整操作的剖面图。图6表示送入蒸汽用作热介质时的构成的说明图。图7表示把隔垫材料覆盖在连接螺栓外面状态的剖面图。图8表示一般的汽轮机构造的剖面图。图9表示汽轮机壳体的连接部分的剖面图。图10是表示连接螺栓的压紧应力随时间变化的图表。图11是表示历来的连接螺栓和调整其周围温度的机构的平面图。图12是图11的Ⅻ-Ⅻ向视剖面图。
1、1a、1b-外部壳体，2、2a、2b-内部壳体，3-涡轮叶片，4-转子，5-蒸汽输入口，6-连接管，7-环形喷嘴箱，8-喷嘴，9-喷嘴隔板，10-压盖填料，11-高压汽轮机出口部分，12-连接螺栓，13、13a、13b-紧固螺母，14-凸缘部分，15-连接螺栓主体，16-中空孔，17-活塞，18-密封材料，19-管口塞，20-螺栓孔，21-加压空间，22-加压流体输送泵，23-软管，24-软管接头，25-温度调节空间，26-热介质流入口，27-热介质流出口，28、29-连通槽，30-密封圈，31-敛缝部分，32-石墨填料，33-膜片密封垫，34-蒸汽导入管，35-热介质混合器，36、37-调节阀，38-供给管，39-隔热材料，L0-中空孔的长度，L1-活塞的长度，H-紧固螺母的高度，D-连接螺栓的外径，d1-活塞的外径，d2-中空孔内径。
权利要求
1.本发明涉及把紧固螺母扭紧来连接被连接构件的连接螺栓，其特征在于在开设在连接螺栓本体内轴向上的中空孔内，装有活塞，用管口塞封住上述中空孔的开口端，同时用密封材料在上述活塞外侧，把中空孔内部分成加压流体导入用的加压空间和可以导入热介质的温度调节空间。
2.如权利要求
1所说的连接螺栓，其特征在于为了使加压空间的容积尽可能小，则把所说的密封材料装在活塞加压空间侧的端部外侧。
3.如权利要求
1或2所说的连接螺栓，其特征在于所说的加压空间在对应于紧固螺母旋扭位置的连接螺栓内形成，通过向这个加压容间送入加压流体使连接螺栓沿轴向延伸。
4.如权利要求
1至3的任一项所说的连接螺栓，其特征在于密封活塞和中空孔之间间隙的密封材料由密封圈、石墨填料、膜片密封垫中的任一个形成。
5.如权利要求
1至4的任一项所说的连接螺栓，其特征在于，温度调节空间是在活塞另一端形成，把从密封材料泄漏出来的加压流体排出到螺栓本体外的连通槽。
6.如权利要求
1至5中任一项所说的连接螺栓，其特征在于管口塞是用螺丝或电子束焊接被固定在中空孔的开口端上。
7.如权利要求
1至6中任一项所说的连接螺栓，其特征在于连接螺栓主体的外表面被隔热材料覆盖。
8.一种连接螺栓紧固力的调整方法，其特征在于连接螺栓主体的轴向设置中空孔，在该中空孔中通过密封材料安装一个活塞。在向活塞的一侧导入加压流体形成加压空间的同时，向活塞的另一侧导入热介质形成温度调节空间。向上述温度调节空间送入热介质后，把连接螺栓调整到规定温度。计算在上述规定温度中作为目标的紧固力作用时连接螺栓上发生的延伸量，向上述加压空间内送入具有能带来这个延伸量的压力的加压流体，使连接螺栓延伸，在这种延伸状态下，扭紧紧固螺母直至贴紧被连接材料为止。然后放出加压流体，使连接螺栓收缩，把连接螺栓的紧固力设定在规定值上。
9.如权利要求
8所说的连接螺栓的紧固力的调整方法，其特征在于加压流体使用水或油压动作油。
10.如权利要求
8或9所说的连接螺栓的紧固力的调整方法，其特征在于热介质使用蒸汽。
专利摘要
本发明涉及一种具有能简便地调整对被连接构件紧固力的结构的用于连接构件用的连接螺栓及一种用来调整上述螺栓紧固力的方法。
文档编号F16B35/04GK87106713SQ87106713
公开日1988年4月13日 申请日期1987年9月30日
发明者池田隆, 角田英治 申请人:东芝株式会社导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan