法兰预紧力及拧紧力矩的计算方法探讨_陈志敏.pdf

书书书收稿日期：。作者简介：陈志敏，男，年毕业于天津大学化工设备与机械专业，学士，主要从事压力容器设计及项目管理工作，高级工程师，已发表论文篇。：。法兰预紧力及拧紧力矩的计算方法探讨陈志敏，王小敏（中国石化工程建设有限公司，北京 ）摘要：法兰的预紧是确保法兰连接系统密封、防止泄漏的重要环节，而如何确定法兰拧紧力矩则是法兰预紧过程中的核心问题。文章重点介绍了法兰、垫片、螺柱连接系统控制螺柱预紧力的常用方法；为保证法兰连接系统安全可靠，提出了一套合理选择螺柱拧紧力矩的计算方法，同时指出了国内外规范在选择法兰预紧力与屈服强度比方面的主要差异，并在此基础上提出了工程上切实可靠的选择定力矩扳手控制法兰预紧密封的方法。关键词：预紧力拧紧力矩法兰垫片螺柱 ：在石油化工行业，法兰连接是最为常见的设备与管道、管道与管道连接形式，如压力容器各种接管连接，人孔、设备法兰、压力管道的连接等。法兰连接采用螺柱、法兰、垫片相配合的连接系统，其最大优势是结构简单、拆卸方便，最大缺点是存在泄漏风险。判断螺柱、法兰、垫片相配合的法兰连接系统是否安全可靠，一般从两方面对其进行验证，一是密封性能，即法兰密封面和垫片间形成很大的压力，阻止法兰内部的流体从垫片或垫片和法兰间泄漏出去；二是各零部件本身的安全性，即保证密封性能的情况下，法兰、垫片和螺柱都在其安全的服役范围内。螺柱、法兰、垫片相配合的法兰连接系统安装时，首先要对螺柱进行预紧，具体过程是，将螺柱预先拉长，使其在预先拉长过程中产生一定的预紧力，预紧力通过法兰传递至垫片上，将垫片压紧，以达到密封内部介质防止泄漏的目的。（以下简称 ）【】和 （以下简称 ）【】中，垫片均设有两个关键技术参数，即垫片系数和垫片比压。当对法兰内部的介质进行加压时，随着内部介质压力的增大，螺柱预紧力产生的预紧比压会逐步减小，当内部压力增大到设计压力时，由螺柱预紧力带来的预紧比压应大于等于垫片密封所需最小比压，即密封面与垫片表面间应保持足够大的流体阻力，此时该系统才能保证密封效果【】。所有上述一系列过程中，需选择一个合理的螺柱预紧力，在该预紧力的作用下，螺柱、法兰、垫片个零件均不能出现失效，且满足垫片密封条件，这样的法兰密封系统设计才是合理的。在此过程中引入了两个问题，一是需要选择多大的螺柱预紧力，二是如何方便有效地加载该螺柱预紧力。下面对此进行详细讨论。螺柱预紧力的控制方法螺柱预紧力的控制方法有很多种【】，如感觉法、力矩扳手法、螺母转角法、指示垫圈法、测定螺柱伸长法和螺柱预伸长法等。工程上常用的是感觉法、力矩扳手法、测定螺柱长度法和螺柱预伸长法。其中测定螺柱长度法和螺柱预伸长法可称为定量方法，最为准确，但这两种定量方法对于螺柱加工以及安装时的使用工具等要求较高，因此投资费用较高。感觉法是最简单经济的方法，一般仅适用于 以下的螺栓或螺柱，且控制预紧力误差较静设备石 油化工设备技术，（）大，约为 。以压力容器法兰系统中管法兰（美洲体系）【】为例，除公称压力 、公称直径 的法兰外，其他法兰所匹配的螺柱公称直径都大于等于 。因此，在压力容器的法兰系统中，感觉法在绝大部分情况下都不适用。工程上运用最多且最为简单高效的方法为力矩法。力矩扳手法或定力矩扳手控制预紧力的方法是国内外长期以来应用最为广泛的控制螺栓或螺柱预紧力的方法，误差约为【】。该方法主要与法兰面和螺母表面加工情况，以及二者之间有无润滑等相关，若螺纹表面质量较好、力矩扳手示值准确，那么使用该方法可较为准确地进行预紧力控制。拧紧力矩的计算公式【】：（）式中：拧紧力矩，；拧紧力矩系数；螺柱预紧力，；螺纹公称直径，。文献【】给出了各种加工表面有无润滑情况下拧紧力矩系数的经验值，一般来讲，该值在范围内变动。工程中在给定螺柱力矩值时，应注明拧紧力矩系数，以方便现场根据实际情况进行螺柱拧紧的判断。很多文献【】、工程规范【】、技术标准【】中建议其值取 或。螺柱预紧力的取值螺柱预紧力的选取应满足以下几个条件【】：首先应确保其满足垫片的密封条件，也就是说，在内部压力条件下，垫片应有足够大的压力防止法兰内部的流体从垫片处泄漏出来，即 各符号说明见式（）。其次，应满足在螺柱预紧力作用下，垫片不能被压溃 一般来讲，螺柱预紧力需小于等于倍的垫片比压，即 各符号说明见式（）。最后，螺柱预紧力作用下，法兰的强度和刚度需满足规范要求【】。无论是 还是 ，其法兰强度计算都采用的是华特尔斯法。华特尔斯法的力学模型是把法兰看成由环板、锥颈和圆筒构成的两对不连续体。计算过程中引入了法兰计算力矩的概念，求解各不连续部位的轴向弯曲应力（法兰锥颈的大端或小端）、径向弯曲应力（法兰环与锥颈的连接处）、周向弯曲应力（法兰环与锥颈的连接处），然后对上述种应力根据不同情况加以限制。下面对计算过程进行简要介绍。预紧工况所需最小螺柱总载荷（）式中：预紧工况所需最小螺柱总载荷，；垫片作用中心圆直径，；垫片有效密封宽度，；垫片比压，。预紧工况所需最小螺柱面积（）式中：预紧工况所需最小螺柱面积，；预紧工况螺柱材料许用应力，。操作工况所需最小螺柱总载荷（）式中：操作工况所需最小螺柱载荷，；内压引起轴力，；内压作用下密封所需最小垫片压紧力，。操作工况所需最小螺柱面积（）式中：操作工况所需最小螺柱面积，；操作工况螺柱材料许用应力，。其中（）式中：法兰计算压力，。（）水压试验工况时（）（）式中：（）水压试验压力作用下密封所需最小垫片压紧力，；水压试验压力，。螺柱预紧力应大于 ，才能满足法兰密封要求，但需要注意的是，规范要求的预紧状态的螺柱力并非 ，而是采用法兰所需的螺柱面积和法兰的实际螺柱面积取平均值后乘以法兰设计温度下的许用应力，即石油化工设备技术 年（），来 校 核 法 兰 强 度 的。一 般 来讲，法兰的实际螺柱面积相比法兰所需螺柱面积有一定的裕量，即实际选用螺柱面积比所需螺柱面积一般要大很多，参考 中列出的标准设备法兰所选用的螺柱面积，（）是一个设计比较常用且合理的选择范围。标准规范中的法兰计算方法认为，螺柱预紧力取（）时，既能满足法兰强度要求，同时也能满足设计压力下的密封条件要求。但很多制造厂及现场反映，按（）控制螺柱预紧力时，有时候并不能满足水压试验时的密封要求。举例说明。考虑温度折减系数及液柱静压力时，水压试验压力 一般为设计压力的倍。假设水压试验压力 为设计压力的倍（即 ），则螺柱所需总面积是实际总面积的 倍（），法兰所需螺柱面积由操作内压工况控制，即法兰所需螺柱面积等于操作内压所需螺柱面积，常温和操作工况（考虑温度折减系数）许用应力比。水压试验工况所需的螺柱载荷为：.（）.（）式中：实际螺柱面积，。法兰强度计算的螺柱载荷为：（）.（）式中：计算所需螺柱面积，取与中的较大者。通过比较可知，法兰强度计算采用的螺柱载荷（）不能保证水压试验工况下的法兰螺柱载荷（），即不能满足设备水压试验工况下的密封要求。这种情况只能通过进一步增大法兰预紧力，即增大拧紧力矩，才能满足水压试验工况下的密封要求。考虑到水压试验工况是临时工况，且无需考虑腐蚀裕量等因素，若该工况下需要增大螺柱拧紧力矩，通常都是安全的【】。螺柱预紧力与螺柱材料屈服强度的比值第节所述的拧紧法兰所选用的力矩扳手法，在实际中是存在一定的误差的（），所以很多情况下，法兰的拧紧力矩都是根据工程经验确定的，一般将螺柱的预紧力控制在螺柱材料屈服强度的一定比例。如 压力边界螺柱法兰连接装配指南 建议控制在倍的屈服强度、机械设计手册（第五版）建议控制在倍的屈服强度等。螺柱预紧力一般取多少倍的屈服强度，不同文献的要求不尽相同，如按 机械设计手册（第五版）、附录和 第章所推导出的预紧力达到材料屈服强度的比值均有所差异。机械设计手册（第五版）【】机械设计手册（第五版）规定拧紧后螺纹连接件 预 紧 应 力 不 得 大 于 其 材 料 屈 服 点 的，对于一般连接用钢制螺柱，推荐预紧力取如下值：碳素钢（.）（）式中：螺柱材料的屈服点，。合金钢（.）（）机械设计手册（第五版）中规定的螺柱推荐预紧力不是专门针对法兰的，而是针对所有螺柱连接件的，有一定的广泛性。与第节中一致，假设法兰实际螺柱面积是法兰所需螺柱面积的 倍，即（），为计算方便起见，取。国内标准中，不同公称直径合金钢螺柱安全系数取，即（）；不同公称直径碳 素 钢 螺 柱 安 全 系 数 取 ，即（）。则螺柱预紧力为：碳素钢（）.（.）（）第 卷第期陈志敏等法兰预紧力及拧紧力矩的计算方法探讨合金钢（）.（.）（）和 的法兰计算方法相同，唯一不同的是螺柱材料安全系数。材料的螺柱许用应力一般取屈服强度的与抗拉强度的中的较小值（假设材料许用应力为屈服控制，则）。（）.（）通过上述种标准计算方法的简单计算对比，发现 机械设计手册（第五版）和 中控制螺柱预紧力的方法比较接近，螺柱预紧力都为倍的屈服强度，而按 法兰计算方法计算得到的螺柱预紧力明显偏小，所以按 的方法设计的法兰进行螺柱预紧时，不能简单地将螺柱拉伸到室温下螺柱材料屈服强度的倍，否则所加载的法兰力矩可能过大，将导致其与最初设计法兰时的力矩偏差较大，从而造成法兰发生强度或刚度失效，亦或造成垫片失效。采用定力矩扳手控制法兰预紧力的基本原则是，保证螺柱、法兰、垫片不受破坏的情况下，预紧力越大越好。螺柱预紧力（）中的项可以理解为满足设计工况所需的最小预紧力，项可以理解为满足实际螺柱安全性的最大预紧力，如果按 进行设计，由于其螺柱的安全系数较高，可适当调高此值，笔者认为提高至 也是安全的，具体值需要看法兰设计者的螺柱设计裕量有多少。以第节的计算为例说明如下：法兰螺柱设计裕量较大时（如），预紧力应可在 倍的范围内进行选择；法兰螺柱设计裕量较小时（如），预紧力应可在 倍的范围内进行选择。螺柱拧紧顺序对于法兰密封来讲，拧紧顺序也是关乎法兰是否泄漏的一个非常重要的因素【】。通常的处理方式为：首先按第节和第节计算螺柱公称直径所对应的拧紧力矩（单位为），然后按图对角方向依次将对应螺柱拧紧至所要求的拧紧力矩的，再按同样方法依次将对角方向对应螺柱拧紧至所要求的拧紧力矩，最后用所选定力矩扳手逐个检查螺柱是否拧紧。图螺柱上紧顺序工程上对于设备直径较大、螺柱个数较多的情况，由于其对角上紧所需时间较长，可采用分区拧紧的方式进行，从而简化拧紧过程，也能达到均匀上紧、密封法兰的要求。举例说明。某设备设计压力为，设计温度为 ，设备内径为 ，共需 个 的螺柱（材料 ）用于该设备法兰的密封。通过计算可知，满足密封所需的螺柱拧紧力矩 。该设备法兰螺柱拧紧顺序控制方案如下：首先对螺柱进行分组及编号，如图所示，分为共 个区，螺柱编号情况详见表；按图放大图中所示方向，并依据对角线原则对法兰各分区内的螺柱逐一上紧。图大直径法兰螺柱分区及螺柱编号法兰各编号螺柱按如下顺序进行拧紧操作：步骤 拧紧力矩 依次拧紧 区编号为的螺柱；石油化工设备技术 年表法兰螺柱及编号分组编号螺柱编号 步骤 拧紧力矩 依次拧紧区编号为 的螺柱；步骤 拧紧力矩 依次拧紧 各区的螺柱；步骤 拧紧力矩 依次拧紧 区编号为的螺柱；步骤 拧紧力矩 依次拧紧区编号为 的螺柱；步骤 拧紧力矩 依次拧紧 各区的螺柱；步骤 拧紧力矩 依次拧紧 区编号为的螺柱；步骤 拧紧力矩 依次拧紧区编号为 的螺柱；步骤 拧紧力矩 依次拧紧 各区的螺柱；步骤 定矩 依次检查 各区的螺柱是否有松动。结语上述分析说明，在进行法兰拧紧操作时，控制预紧力矩从而控制法兰预紧力在合理范围内十分关键。法兰拧紧力矩计算可参考以下步骤进行：步骤 按规范计算螺柱预紧力，将法兰所需的螺柱面积和法兰实际螺柱面积取第 卷第期陈志敏等法兰预紧力及拧紧力矩的计算方法探讨平均值后乘以法兰材料设计温度下的许用应力，即（）。步骤 对水压试验工况的密封条件进行校核。如水压试验工况内压引起轴力水压试验工况内压作用下密封所需最小垫片压紧力（）大 于 规 范 要 求 的 螺 柱 预 紧 力 即（）（）时，取（），此时 需对 原设计的 法兰 强度 按 该 螺柱 预紧力（）进行校核。步骤 对垫片强度进行校核。应满足按步骤或步骤计算得出的预紧力小于相应的垫片比压上