如何校验螺栓拧紧扭矩是否满足要求

发布日期：2025-06-23 22:15    点击次数：164

工业中最常用的螺栓连接为预紧型螺栓连接，预紧的目的在于将被连接构件紧紧地连接在一起，与螺栓一道共同承担外部工作载荷。与松螺栓连接相比，预紧螺栓连接中的螺栓本身承受很小的轴向工作载荷，通常不超过总载荷的10%，因此可以抵御更大的轴向载荷。同时被连接件之间的夹紧力使得接触面之间产生摩擦力，起到平衡外部横向剪力作用，使得螺栓本身不承受或承受很小的横向工作载荷，所以工业中的绝大多数螺栓采用预紧型螺栓连接。实施螺栓预紧的方法有很多，比如拧紧扭矩法、扭转角度法、螺栓屈服法以及直接拉伸法等等，目前最常用的拧紧方法是拧紧扭矩法。扭矩法是通过扭矩扳手对螺杆施加扭矩来实现螺栓的拧紧，本文的讨论主要聚焦于扭矩法。从阴阳角度来讲，扭矩属阳，是无形的能量和功能，其功能在于把螺栓和被连接件团结成一个整体，形成以螺栓为核心的共同体，抱团取暖、共担风雨。被连接件如同营卫抵御来自外部的侵扰，螺栓如同气血蓄藏着拧紧产生的结构应变能。阳精若壮千年寿，扭矩长存必无忧；人之长寿在于阳精壮，栓之可靠在于扭矩足。人通过定期体检来了解自身的健康状态，螺栓连接也需要相应的校验来判断螺栓连接状态是否可靠。通过对螺栓预紧力的测量可以实现对螺栓连接质量的校验，但螺栓预紧力的测量相对困难，通常通过对扭矩的测量来间接反映。扭矩和预紧力互为表里，效果相当，本文以螺栓的扭矩校验为主要内容。

螺栓的扭矩有多种表现形式，本文按所处的时间阶段将螺栓扭矩划分为三大类，分别为设计扭矩、装配扭矩和服役扭矩，下面将逐一进行探讨。    

01 设计扭矩及其校验

设计扭矩为设计过程中确定的螺栓扭矩，通常包括额定扭矩MA0、最大扭矩MAmax以及最小扭矩MAmin。额定扭矩体现了接头的螺栓选型，考虑了接头结构、预紧力衰减、外部载荷以及工艺能力等众多因素。由于拧紧工具的精度及摩擦系数的离散性等因素导致扭矩具有离散性，在设计过程中应考虑扭矩的最大值和最小值，最值用于评估极端条件下的螺栓连接安全性，即在由此引起的最大螺栓预紧力和最小螺栓预紧力范围内，螺栓的各评估指标均能满足设计要求。额定扭矩为设计部门的输出值，传递至工艺/装配部门则作为目标值。严格的螺栓设计扭矩应包含螺栓额定扭矩以及扭矩公差。比如某螺栓接头的扭矩要求为100Nm ± 15Nm，其中100Nm为额定扭矩，即拧紧过程中设置的目标值，即MA0=100Nm；±15Nm为扭矩公差，有ΔMA=15Nm，扭矩公差与拧紧工具的精度有关；100Nm - 15Nm = 85Nm为可接受的最小扭矩，即MAmin=85Nm；100Nm + 15Nm =115Nm为可接受的最大扭矩，即MAmax=115Nm。

值得说明的是，直接通过VDI2230标准查表或按照其方法计算得到的扭矩为最大扭矩而不是额定扭矩，额定扭矩为最大扭矩与扭矩公差的差值，可通过下式计算：

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扭矩公差的设定应充分考虑拧紧的工艺水平，主要与拧紧工具的精度有关，同时需要兼顾设备能力指标以及过程能力指标。大众、通用和福特等知名汽车公司一般扭矩公差取15%；DIN 25201-2在附录中提供了扭矩公差为±7%情况下螺栓拧紧的额定扭矩。

设计扭矩的校验通常采用理论校核方法，即将拧紧扭矩转化为螺栓预紧力，对螺栓预紧力进行校核。螺栓预紧力与扭矩的关系如图1所示。

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图1-1 螺栓预紧力与螺栓扭矩的关系曲线

螺栓的最大预紧力可表示为：

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螺栓的最小预紧力可表示为：

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式中，FMmax和FMmin分别为螺栓最大预紧力和最小预紧力，MAmax和MAmin分别为螺栓最大扭矩和最小扭矩，P为螺纹螺距，d2为螺纹中径，DKm为承压面等效摩擦直径，μG为螺纹副摩擦系数，μK为承压面摩擦系数。

对于最大预紧力，应满足如下关系：

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式中，FMzul为螺栓的许用预紧力。

对于最小预紧力，应满足如下关系：

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式中，FKerf为螺栓接头满足功能所需的最小夹紧力，FSAmax为螺栓承担的最大轴向工作载荷，FZ为由接触面沉降及材料蠕变等引起的螺栓预紧力的衰减，ΔFVth为温度变化引起的螺栓预紧力衰减。

同时满足上述两条件，则表明螺栓的设计扭矩满足要求。

02 装配扭矩及其校验

装配扭矩是在装配过程中所施加的螺栓扭矩，是以设计部门提供的额定扭矩为目标值，并以是否处于所要求的扭矩范围作为拧紧是否合格的评估标准。

为评估和校验螺栓的拧紧效果，通常还需要对拧紧后的螺栓连接进行一定比例的抽检或全检，以验证螺栓拧紧工艺的适应性和可靠性。抽检过程和拧紧过程一般都在装配现场完成，因此将其统一归为装配阶段。

在拧紧过程和抽检过程中螺栓的扭矩存在较大区别，拧紧过程的扭矩通常称为动态扭矩，抽检过程的扭矩通常称为静态扭矩。动态扭矩是指拧紧过程中在拧紧工具动态旋转过程中的扭矩峰值，在此过程，螺栓处于连续的动态旋转状态，故将其称为动态扭矩，测量的目的主要是保证拧紧过程中的扭矩符合要求，用以监控和反映装配过程的拧紧状态、拧紧结果及工艺能力。静态扭矩是指在装配结束后较短时间内，抽检时得到的扭矩值，在此过程，螺栓处于静止状态，故称为静态扭矩。静态扭矩测量的目在于验证拧紧过程中是否出现异常，同时评估拧紧后螺栓扭矩是否处于正常范围。    

下面将分别对动态扭矩和静态扭矩加以介绍。

（一）动态扭矩

动态扭矩是在拧紧过程中测量的最大扭矩，用以监控和反映装配过程的拧紧状态、拧紧效果以及工艺能力等。对动态扭矩的校验，首先判断动态扭矩是否满足设计扭矩的范围要求，即动态扭矩MA,day应满足如下关系：

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可以看出动态扭矩直接对应设计扭矩。

为进一步评估动态扭矩与目标扭矩的一致性，通常采用过程能力指数来评估。过程能力指数是指所评估的过程能够满足产品质量标准要求的程度，通常用CP和CPK表示。过程能力指数也称工序能力指数，是指该工序在一定时间内，处于控制状态下的实际加工能力。它是工序固有的能力，或者说它是工序保证质量的能力。这里所说的工序，是指操作者、机器、原材料、工艺方法和生产环境等五个基本质量因素综合作用的过程。

CP称为离散性指标，在这里主要考核拧紧结果的一致性，与边界和离散程度相关，计算公式如下：

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CPK称为偏离度指标，在这里主要考量动态扭矩与额定扭矩的偏差程度，它不仅与边界和离散度相关，还与中心相关，计算公式如下：    

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这里，MHI为同批次中最大的动态扭矩，MLO为最小动态扭矩，MAV为动态扭矩的均值，σ为标准差。

离散性指标CP主要表征的是数据的离散性，指标越高说明数据越集中，如图2-1所示。

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图2-1 离散性指标CP示意图

偏离度指标CPK主要表征数据与目标值的偏离程度，指标越高说明数据与目标值越接近，如图2-2所示。

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图2-2 偏离度指标CPK示意图

对过程能力指数的要求应考虑实际需求以及工艺能力，汽车行业中通常要求CP≥1.67，CPK≥1.33。

（二）静态扭矩    

为进一步控制拧紧质量，对于扭矩法一般都在拧紧完成后的一定时间内，在螺栓连接处于相对稳定状态时对螺栓扭矩进行检测。

为获取较高的检测精度，通常要求检测工具的精度高于装配工具的精度，扭矩精度一般要求3-5%。

不同标准对于静态扭矩校验的时间要求也不相同，有的甚至差异较大。譬如GB 50205-2020 《钢结构工程施工质量验收规范》规定高强度螺栓连接副应在终拧1h后，48h内进行终拧质量检查；GB/T 33628-2017《风力发电机组高强度螺纹连接副安装技术要求》规定高强度螺栓应在装配后4h - 24h内进行复检。JGJ 82-2011《钢结构高强度螺栓连接技术规程》规定扭矩检查宜在螺栓终拧1h以后，24h之前完成。汽车行业要求的时间普遍较短，据报道大众汽车公司规定拧紧完成后30min以内测量，通用汽车公司规定在拧紧完成后5min以内测量。

校验时间要求的差异与行业特点有关，主要考虑螺栓连接的稳定性和操作时间窗口的宽度。校验时螺栓连接的状态尽量稳定，即螺栓预紧力瞬态衰减已完成且长期衰减尚未开始，螺栓连接处于相对稳定状态。在满足状态稳定的前提下，适当增加操作时间窗口的宽度有利于现场校验操作的实施。对于家电、汽车、等较小设备，校验时间一般要求较短；对于桥梁、重型装备等大型钢结构，校验时间通常要求较长。

螺栓预紧力的衰减是不可避免的，在校验时间范围内，螺栓预紧力的衰减主要表现为接触面表面的沉降和微观塌陷，沉降等引起的螺栓预紧力的衰减可表示为：

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式中，FZ为螺栓预紧力的衰减，fZ为接触面等效沉降位移，δS和δP分别为螺栓和被夹紧件的柔度。

螺栓预紧力的衰减导致扭矩的衰减，衰减扭矩可表示为：

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可以看出螺栓扭矩的衰减量与螺栓尺寸、螺孔尺寸、摩擦系数、被连接件材质、夹持厚度、接触面个数、接触面粗糙度等众多参数相关。不同的螺栓接头结构，其扭矩的衰减量也不相同。定义预紧力衰减系数：

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这里FM为螺栓的预紧力，通常情况下，对于全金属的硬螺栓连接，螺栓预紧力衰减可取αM=5%；对于包含非金属复合材料等的中性螺栓连接，预紧力衰减可取αM=15%；对于包含橡胶、塑料等材料的软螺栓连接，预紧力衰减可取αM=30%。在有条件情况下，推荐针对实际螺栓接头形式进行试验测定。

静态扭矩的校验时间距离装配过程的时间间隔较短，推荐选取动态扭矩而非额定扭矩作为参考值进行评估，其原因在于静态扭矩校验的目的在于校验螺栓扭矩的衰减是否正常，即校验自装配结束瞬间至抽检校验这段时间内的螺栓衰减量是否满足要求。选取动态扭矩可以更好地反映螺栓扭矩的衰减量。若选取额定扭矩作为参考值，由于无法获该取螺栓扭矩的初始值，难以精确反映该螺栓连接的扭矩衰减量，适用于精度要求不高或小比例抽检的场合。

静态扭矩的校验方法有很多，按旋转方向可以划分为拧紧法、复位法和拧松法。拧紧法是通过将螺栓头或螺母向拧紧方向施加扭矩进行扭矩校验的方法；复拧法则是先将螺栓头或螺母拧松，再恢复至原位，通过测量复位扭矩来校验扭矩的一种方法；拧松法则是通过将螺栓头或螺母向拧松方向施加扭矩进行扭矩校验的方法。下面分别进行介绍。    

（1）拧紧校验法

在要求的时间范围内，对已拧紧的螺栓施加拧紧方向的扭矩。根据校验扭矩的定义，又可细分为分离扭矩校验法、再拧紧扭矩校验法和扭矩转角校验法。

a）分离扭矩校验法

对已拧紧的螺栓连接施加拧紧方向的扭矩，随着施加扭矩的不断增加，在螺栓发生转动的瞬间，停止拧紧，记录此时的扭矩值，该扭矩称为分离扭矩，记作MA,break，如图2-3所示。

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图2-3 分离扭矩示意图

分离扭矩法把分离扭矩定义为静态扭矩的校验值，有：

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分离扭矩校验法操作简单，使用带扭矩显示的拧紧扳手即可实施。但该方法仅提取了螺栓由静态转变成动态的瞬间信息，螺栓转动的瞬间，扭矩扳手克服的摩擦力由静态摩擦力转变成动态摩擦力，通常静态摩擦系数略大于动态摩擦系数，定义摩擦因子αμ：

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这里μsta和μdyn分别为静态摩擦系数和动态摩擦系数。通常情况下，αμ在1.1-1.3之间，重要场合需通过试验确定其值。

此时测得的扭矩与动态扭矩相比，包括了螺栓预紧力的衰减量、静态摩擦系数与动态摩擦系数的差异以及工具精度。

满足如下关系，则表示静态扭矩合格，否则不合格：

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通常情况下，对于硬螺栓连接，静态扭矩校验值应为动态扭矩的1.0 - 1.3倍；中性螺栓连接，为动态扭矩的0.9-1.3倍；软螺栓连接，为动态扭矩的0.8-1.3倍。

若以额定扭矩为评估参考值，则应考虑扭矩的测量精度。

b）再拧紧扭矩校验法

分离扭矩校验法虽然简单，但是由于包含了静态摩擦与动态摩擦的转化，影响测量的准确性，仅适合静态摩擦系数与动态摩擦系数差别不大的场合。为避免静态摩擦系数的影响，可采用再拧紧扭矩校验法。

再拧紧扭矩校验法要求在规定的时间内，对已拧紧的螺栓连接施加拧紧方向的扭矩，随着施加扭矩的不断增加，螺栓发生了转动，继续施加扭矩。通常螺栓扭矩会有一定幅度的降低；若动静摩擦系数差别不大，拧紧扭矩降低不明显。继续拧紧，扭矩开始增加，记录增加瞬间的扭矩值，该扭矩值称为再拧紧扭矩，记作MA,resid，如图2-4所示。

   

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图2-4 再拧紧扭矩示意图

再拧紧扭矩法将再拧紧扭矩定义为静态扭矩，有：

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再拧紧角度通常不超过15°。

满足如下关系，则表示静态扭矩合格，否则不合格：

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通常情况下，对于硬螺栓连接，静态扭矩校验值应为动态扭矩的0.95 - 1.05倍；中性螺栓连接，为动态扭矩的0.85-1.05倍；软螺栓连接，为动态扭矩的0.70-1.05倍。

若以额定扭矩为参考值，对于硬螺栓连接，静态扭矩校验值应为额定扭矩的0.80 - 1.20倍；中性螺栓连接，为额定扭矩的0.70-1.20倍；软螺栓连接，为额定扭矩的0.55-1.20倍。    

对于再拧紧扭矩校验法，目前采用较多的是以额定扭矩为参考扭矩，比如VDI 2230标准要求静态扭矩应为所需动态扭矩的0.85-1.3倍。据报道大众汽车公司规定一般情况下可以按照0.8-1.2的额定扭矩进行校验。目前普遍接受的范围是关键部位的螺栓连接扭矩衰减不能超过20%左右的水平；对于一些非关键部位的螺栓连接，特别有橡胶件或塑料件等影响扭矩衰减的部位，允许最大50%的扭矩衰减。

以额定扭矩为参考的校验由于不需要使用各螺栓的动态扭矩值，便于操作，因此应用广泛。但该方法无法准确反映螺栓预紧力/扭矩的衰减程度。比如，某硬螺栓连接的扭矩要求为100Nm±15Nm，装配线上测得的动态扭矩值为112Nm，满足动态扭矩要求。静态校验时，测得再拧紧扭矩为88Nm，若以动态扭矩为参考值，扭矩衰减为动态扭矩的0.79倍，不满足静态扭矩的要求；但若以额定扭矩为参考值，扭矩衰减为额定扭矩的0.88倍，满足静态扭矩的要求。可见，采用额定扭矩作为参考值在理论上存在漏检的风险，该校验方法适用于对扭矩衰减不严格的场合。

再拧紧扭矩比较精准，但是要求较高，拧紧工具应具有扭矩曲线绘图功能，能够识别并记录再拧紧扭矩的数值。目前市面上已出现能够准确识别再拧紧扭矩的智能扳手。

c）扭矩转角校验法

GB/T 33628-2017 《风力发电机组 高强螺纹连接副安装技术要求》提供了一种通过校验转角来判断静态扭矩是否满足要求的方法，具体操作为：对被检查螺栓做好观察基准线；将校验合格的力矩扳手调整到被测螺栓原施拧力矩的110%；对被测螺栓进行拧紧，均匀施拧，观察显示器的数值以及螺栓旋转状态，按转动角度来判断其合格性。

判断准则为：若螺栓未转动，表明螺栓过拧，评定为不合格，需要更换全套螺纹连接副；若转动角度小于30°，表明完全拧紧，评定为合格；若转动角度在30°-60°之间，表明基本拧紧，评定基本合格，需校验该螺栓相邻的两个螺栓；若转动角度大于60°，表明未拧紧，评定为不合格，更换螺栓并校验该螺栓相邻的两个螺栓。若垫片与法兰面发生相对转动，应更换螺母和垫片。

（2）复位校验法

拧紧校验法是沿着拧紧的方向进行施拧，此方法也带来一些不利的因素，包括1）螺栓存在超拧的风险；2）扭矩值受到内侧裸露螺纹区摩擦系数的影响，尤其是校验时间较长，现场风沙较大或存在油污的情况；3）静摩擦系数与动摩擦系数的转换。为避免上述不利因素，可采用复位校验法。

复位校验法在校验前预先在螺栓头部或螺母与相联结的接触面对应处划一道基准线作为标记，然后将螺栓头或螺母拧松一定角度，再用扭矩扳手沿拧紧方向缓慢而均匀地拧紧，直至螺栓头或螺母重新回到初始位置，标记线完全复位，将复位时的扭矩定义为静态扭矩，如图2-5所示。由于校验过程中需要预先做标记，该方法又称标记法。    

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图2-5 复位扭矩法示意图

拧松的角度应根据螺栓接头的实际结构确定，通常设置为10°-30°，GB 50205建议回退60°左右。

该校验方法操作稍复杂，同时优势明显，譬如可使用装配拧紧工具，不受动静摩擦系数的影响，精确较高，校验合格的螺栓连接无需返工等。复位校验法适用于对关键部位螺栓连接的校验。

满足如下关系，表示静态扭矩合格，否则不合格：

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通常情况下，对于硬螺栓连接，静态扭矩校验值应为动态扭矩的0.95 - 1.05倍；中性螺栓连接，为动态扭矩的0.85-1.05倍；软螺栓连接，为动态扭矩的0.70-1.05倍。GB 50205-2001 钢结构工程施工质量验收规范。该扭矩值与施工扭矩值的偏差在10%以内为合格。

同样也可以将额定扭矩作为参考值，需要考虑拧紧工具的精度。

（3）拧松校验法

将已经紧固的螺栓，用扭力扳手慢慢使其松开，然后读取其转动瞬间的扭矩值，该扭矩称为拧松扭矩。拧松扭矩理论上是峰值，后续扭矩值通常小于此值。    

拧松校验法与分离扭矩校验法基本一致，在实际运用中通常被拧紧校验法替代。

03 服役扭矩及其校验

为验证设备在服役过程中螺栓连接的可靠性，通常在经历一段时间后（譬如在汽车大保养、大型设备的定期修以及高速列车的高级修），对螺栓预紧力进行校验，评估螺栓预紧力是否仍处于安全范围之内。采用校验扭矩的方法来反映螺栓预紧力的状态，这一阶段的扭矩称为服役扭矩。

从校验方法上来看，静态扭矩的所有方法都适用于服役扭矩的校验。只是由于螺栓连接已经经历过一段时间的热机循环载荷，螺栓预紧力的损失有所增加，除是接触面的微观沉降外，叠加了循环载荷引起的接触面的微动磨损以及被连接件材料蠕变导致的轴力衰减，其中以橡胶等非金属材料尤为明显。通常，最低可接受扭矩可在静态可校验扭矩的基础上适当降低。

由于校验时间距离装配时间较长，动态扭矩值一般难以获取，为了校验的方便通常取额定扭矩作为校验的参考值。

针对大批量的服役螺栓，譬如高速动车组走行部的连接螺栓，螺栓数量大，时间窗口短，要求校验效率高。通常在分离扭矩校验法的基础上进一步简化，即设定一个扭矩作为校验扭矩，对螺栓连接施加拧紧方向的扭矩，直至拧紧力矩达到该校验扭矩，如果此时螺栓未发生转动，判定为合格，反之则不合格。    

校验扭矩可采用下式进行计算：

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对于硬螺栓连接预紧力衰减量αMS可取10%，中性螺栓连接αMS可取20%，软螺栓连接αMS可取40%。若ΔMA=15%，αμ=1.1，则校验扭矩可取额定扭矩的0.95倍（硬螺栓连接）、0.85倍（中性螺栓连接）和0.65倍（软螺栓连接）。当然，螺栓预紧力损失和摩擦因子的选取应基于大量试验数据的统计分析。

该校验扭矩在理论上应能满足螺栓连接安全的需要，或反过来说，螺栓在设计时已考虑了该螺栓预紧衰减量。

校验扭矩法不是定量地测量剩余扭矩值，而是校验螺栓的拧紧状态。若螺栓未转动表明螺栓连接满足要求，可直接投入使用；若螺栓产生转动则表明螺栓连接已不满足要求，需要记录数据并复拧或更换紧固件。该方法的优势在于简单快捷，适用于风电、高速列车等大批量关键部位螺栓的日常维护和高级修。

04 讨论

据不完全统计，由于螺栓拧紧问题导致的螺栓连接失效占螺栓总失效的80%以上。螺栓扭矩问题主要表现为螺栓扭矩的漏打、欠打或过打。通过对设计扭矩的校验可以从理论上避免螺栓连接的失效；通过对动态扭矩、静态扭矩以及服役扭矩的校验可以提前发现不合格的螺栓连接状态，暴露拧紧工艺中的不足，降低螺栓连接的失效风险。螺栓扭矩的校验工作应贯穿于螺栓连接的整个生命周期中。    

螺栓扭矩校验方法应根据实际应用的风险程度进行选择，对于涉及到生命安全、设备整体失效等高危害性的螺栓连接，应做到对设计扭矩进行理论校验、对装配扭矩进行现场校验、对服役扭矩进行定期校验。有条件的宜建立关键螺栓的扭矩履历，以便对螺栓扭矩的时间历程进行跟踪，对历史数据进行对比，总结螺栓扭矩的衰减趋势并对未来失效风险进行预测。

扭矩校验准则的选取与校验方法以及螺栓连接的特性（硬连接、中性连接和软连接）相关。在设置校验准则时应考虑是否存在静态摩擦与动态摩擦的转化，被连接件中是否包含材料蠕变显著的非金属材料。螺栓扭矩在不同时期的衰减量需要大量的数据积累，根据统计数据制定各行业或企业的校准规范，并将结果反馈给设计部门，使得螺栓预紧力的损失在设计之初就得到充分考虑。静态扭矩和服役扭矩的校验准则推荐以动态扭矩为参考，若以额定扭矩为参考，需定期进行校验。

从螺栓连接的安全角度来讲，扭矩/预紧力衰减的大小并不是问题的关键，关键是该衰减量是否稳定、是否在设计过程中已充分考虑、是否超出预期。 

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