压力容器法兰螺栓紧固力矩的确定

压力容器法兰螺栓紧固力矩的确定

朱 飞

武汉龙净环保工程有限公司，湖北 武汉 430000

摘要：为检修方便，压力容器广泛采用可拆的法兰螺栓连接结构。为避免法兰螺栓连接在操作状态下泄漏，需要对法兰连接螺栓进行合理的紧固。近几年，法兰螺栓连接的定力矩紧固已在化工检修中得到了广泛的应用。定力矩紧固可以为法兰螺栓连接提供相对均匀的紧固力矩，能否提供合适的紧固力矩数值，是保证法兰连接密封可靠性的关键。

关键词：压力容器；螺栓载荷；紧固力矩

1 概述

法兰螺栓连接为压力容器的检修提供了方便，但要保证法兰螺栓连接密封的可靠性，需要对法兰连接螺栓进行合理的紧固。定力矩紧固可以为法兰螺栓连接提供相对均匀的紧固力矩，能否提供合适的紧固力矩数值，是保证法兰连接密封可靠性的关键。依据压力容器法兰螺栓连接结构设计的基本要求，结合螺母与法兰及螺栓摩擦表面的加工与润滑状态，提出了法兰连接螺栓紧固力矩的确定方法。

2 螺栓紧固中的主要问题

压力容器法兰设计计算可知：无论是预紧状态还是操作状态，螺栓的应力不应大于其相应的许用应力。对于法兰螺栓连接，螺栓应力的大小与螺栓紧固时所产生的螺栓载荷、操作压力、垫片反力有关，其决定因素是螺栓载荷。而螺栓载荷的大小由紧固力矩确定。在实际检修中，螺栓连接的紧固力矩往往由经验公式简单计算，而其在预紧和水压试验状态下的螺栓的工作应力均超出其相应的许用应力。同时，经验算法没有考虑容器的设计载荷、垫片的参数及材质的影响。其结果可能造成：

（1）螺栓预紧载荷过大，螺栓过度变形或拉伸；

（2）法兰盘发生翘曲变形；

（3）密封垫片被压溃或产生塑性变形失去回弹能力。

3 螺栓载荷的确定

螺栓载荷应同时考虑在满足法兰强度与密封要求所需的最小螺栓载荷，实际螺栓截面所允许承受的最大载荷（许用载荷）以及垫片有效密封宽度的极限压紧载荷。

3.1 满足密封要求的最小螺栓载荷

预紧状态所需的最小螺栓载荷在预紧状态，螺栓只承受压紧垫片的反力作用：

（1）

式中：Wa—预紧状态所需的最小螺栓载荷，N；b—垫片有效密封宽度，由垫片接触宽度N与压紧面的形状按GB/T150.3表7-1确定基本密封宽度bo，mm。当bo≤6.4mm时，b=bo；当bo＞6.4mm时，b=2.53 。y—垫片比压力，由垫片的材料按GB/T150.3表确定，MPa。DG—垫片压紧力作用中心圆直径，mm；对于活套法兰以及基本密封宽度bo≤6.4mm的法兰，DG等于垫片接触面的平均直径；对于基本密封宽度的法兰bo＞6.4mm，DG等于垫片接触的外径减去2b。操作状态所需的最小螺栓载荷在正常操作条件下，螺栓承受介质压力产生的轴向力与垫片压紧力的作用。

3.2 螺栓的许用载荷

预紧状态下，实际螺栓危险截面上的应力应小于其许用应力，即：

Wm/Ab≤[]b

从而得实际螺栓截面所允许承受的最大载荷：

Wm≤Ab[]b

式中：Ab—实际使用的螺栓总面积，mm2；[]b—室温下螺栓材料的许用应力，按GB/T150.2

表12、16确定，MPa。

Ab=0.785d2n

d=min{d1,d2}

d1—螺纹小径，mm；

d2—双头螺柱无螺纹部分的最小直径，mm；n—螺栓数量。

3.3 垫片的极限压紧载荷

一般认为：垫片在压紧时，其单位有效密封面积上的压紧力不小于y值，以消除“泄漏通道”，达到预密封要求；同时也不能过度压紧使垫片产生塑性变形而失去密封性能。对平面密封的情况，应控制压紧力不大于4y。以4y代替式（1）中的y，得垫片的极限压紧载荷：

Wa4=12.56DGby

3.4 螺栓紧固载荷

螺栓紧固载荷WT应大于满足密封要求的最小螺栓载荷W，小于等于螺栓的许用载荷与垫片的极限压紧载荷，同时满足法兰强度要求的螺栓设计载荷：

W＜WT≤min{Wm,Wa4,Wd}

理论上，螺栓的紧固载荷满足要求就能够满足密封的要求。但在压力容器的实际运行中，由于螺栓预紧力分布的不均匀性、工作温度与压力波动的影响，应该使螺栓的工作载荷有一定的裕量；理论分析可知，螺栓的紧固载荷越大，抗松动的能力就越好。因此，螺栓的紧固载荷应接近取值范围的上限。一般的工程设计中，螺栓的设计载荷是小于等于螺栓的许用载荷与垫片极限压紧载荷的，即：Wd≤min{Wm,Wa4}。因此，较为理想的螺栓紧固载荷为螺栓的设计载荷，即：

WT=Wd

在压力容器法兰螺栓连接工程设计中，法兰与螺栓的强度都有一定的裕量，为充分发挥螺栓的潜能，可以适当提高螺栓的紧固载荷。因此，螺栓的紧固载荷的可取值范围为：

WT=Wd~min{Wm,Wa4}

4 螺栓紧固力矩的确定

螺栓紧固载荷的实现是靠拧紧螺母来实现的。在拧紧螺母时，一要克服螺纹之间的摩擦力矩，二要克服螺母端面与法兰面的摩擦力矩。由于摩擦力矩受摩擦表面及润滑状态影响较大，计算比较复杂，工程上通常用拧紧力矩系数来计算螺栓紧固力矩。

T=10-3KWTd/n

式中：T—螺栓紧固力矩，N.m；K—拧紧力矩系数，见表1；d—螺栓的公称直径，mm。

表1拧紧力矩系数

5 计算实例

以石化重整装置的E170A/B换热器为例计算，相关参数如下：该设备为U形管式换热器，公称直径DN900；管程工作温度240℃、工作压力3.5MPa、管程介质为蒸汽；壳程工作温度：179℃、工作压力0.5MPa、壳程介质为石脑油。法兰、螺栓设计温度260℃，设计压力4.1MPa。垫片为复合柔性石墨+304波齿金属垫、内径958mm、外径1008mm，垫片系数3，密封比压力50MPa。螺栓材料35CrMoA、公称直径M36、数量36。由GB150.2查得室温下的许用应力=228MPa，设计温度下的许用应力=192。压力容器法兰一般为干燥的粗加工无润滑表面，可按表1取拧紧力矩系数K=0.3。螺栓紧固载荷及紧固力矩的计算结果见表2。

表2螺栓紧固载荷及紧固力矩的计算结果

由表2得知：此设计的螺栓紧固载荷范围为：WT=3838814~5578738N，最大值由垫片的极限压紧载荷控制。螺栓紧固力矩的理想值为：N=1653N.m，紧固力矩的可取值范围为：N=1653~1667N.m。近两年的化工设备检修中，我单位广泛采用定力矩紧固，并按上述计算推荐了定力矩紧固数值，其应用效果良好。

6 结论

压力容器连接的法兰、密封垫片、螺栓的整体设计是保证连接体的强度、刚度和密封性能的基本要求。当法兰、螺栓一定时，不同的密封垫片所需要的螺栓紧固力矩是不同的。螺栓紧固力矩应与法兰刚度、密封垫片的型式、螺栓的强度相匹配。确定螺栓紧固力矩时，螺栓载荷应以实际螺栓截面的工作应力小于其许用应力作为主要判定条件，其符合压力容器法兰、垫片和螺栓设计的相关规定。可以用垫片的最大压紧比压不大于4y作为辅助判定条件，来合理选择密封垫片。定力矩紧固能为法兰螺栓连接提供相对均匀的螺栓载荷，但并不能保证为密封端面提供合适的密封比压力。只有合理地确定螺栓紧固力矩，才能保证紧固效果，提高法兰连接密封的可靠性。本文所提供的法兰螺栓连接紧固力矩的确定方法，具有一定的使用经验，可用于工程实际。

参考文献

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