法兰连接中螺栓拧紧力矩的计算

机电机械1822016年121期机电机械法兰连接中螺栓拧紧力矩的计算李春芳郑英杰法孚低温设备有限公司，江苏太仓215400摘要：预紧力是影响法兰密封的一个重要因数，过大会压坏垫片，过小达不到密封效果。而这个预紧力在实际中往往靠经验对螺栓拧紧来达到，人为影响因素较大，文中通过理论分析给出了法兰螺栓拧紧力矩的计算公式，在保证满足密封的同时也不会出现过量拧紧的情况。关键词：预紧力矩;法兰;密封中图分类号：TE96;TQ055.81文献标识码：A文章编号：1671-5659(2016)121-0182-011概述螺栓预紧力是影响密封的一个重要因素，预紧力必须使联接处实现初始密封条件，并保证垫片不被压坏或挤出。由于计图样中并没有给出螺栓拧紧扭矩，导致在实际中仅凭经验对法兰进行上紧，可能会出现预紧力过大或过小的情形，导致泄露的出现。对于泄露的出现采取的方法往往是再次拧紧螺栓。这对于预紧力不足的情况是有效的，但对于预紧力过大，垫片已被压坏的情况则只是适得其反，再次的拧紧可能会导致法兰产生过大的变形、螺栓被拧坏的情况。在螺栓拧紧中影响螺栓预紧力的则是螺母的拧紧力矩，因此求得拧紧力矩，则可以在法兰连接时有目的地拧紧螺栓，不至于出现预紧力过大或不足的情况。2最小预紧力的确定法兰的密封需满足预紧和操作两种状态。预紧状态需建立起预密封条件，而当设备或管道承受压力后，法兰密封面将出现或多或少的分离，为保证连接结构不出现泄露，则要求垫片与法兰接触面上有足够大的流体阻力[1]。标准[2]中给出了预紧状态下所需最小垫片压紧力为：（1）操作状态下需要的最小螺栓载荷为：（2）式（2）中F是由内压所引起的轴向力，FP是操作状态下所需要的最小垫片力。显然（1）式中垫片的预紧力与操作无关，并不是操作状态下所需的预紧力，因此当设备或管道泄压时，螺栓上要保留多大的力才能保证在设备再次升压时法兰不发生泄漏是本文要关心的问题。实际上当压力升高，使螺栓载荷增加，螺栓伸长，与此同时原来受压的垫片（法兰）就被放松，压缩量减少，使压缩垫片的螺栓载荷减少，因此要计算出操作情况下螺栓所需要的最小预紧力则要全面的考虑螺栓、法兰、垫片的综合影响。图1是这种变化过程的示意图：图1螺栓-垫片（法兰）受力变形图螺栓、垫片（法兰）在预紧力作用下其应力与应变符合虎克定律，即直线关系，Q1为螺栓所需要的最小预紧力。在Q1作用下螺栓伸长量为δb，垫片（法兰）压缩量为δf此时螺栓与垫片载荷相等。升压后，螺栓载荷增加，而垫片（法兰）的变形量减少，即螺栓沿OA延伸到B点，垫片沿AE下降到G点。B点的最小值则为Wp，而G点所对应的值则是操作状态下需要的最小垫片压紧力Fp。由此可知对螺栓施加预紧载荷Q1则可保证在升压后法兰不会发生泄漏，即保证升压后螺栓的载荷能保持为Wp。只要求出ΔF则可以求出所需的预紧力Q1。由图1可看到在内压F作用下，螺栓的继续伸长量为Δδb’，垫片压缩量所减少的部分为Δδf’，由变形协调可知螺栓伸长部分等于垫片（法兰）压缩量减少的部分，根据材料力学可知：垫片（法兰）的回弹量：（3）螺栓的伸长量：（4）因此可得：（5）由图1可知：（6）式中：Eb—螺栓材料在操作温度下的弹性模量（Mpa）;Eg—垫片材料在操作温度下的弹性模量（Mpa）;Ef—法兰材料在操作温度下的弹性模量（Mpa）;Ab—螺栓总截面积（mm2）;Ag—垫片实际接触面积（mm2）;Lb—螺栓计算长度（mm）;Tg—垫片计算厚度（mm）;T—连接件的总厚度（mm）。上述分析是基于法兰已建立预密封条件的基础上，即垫片在预紧力的作用下已发生变形将法兰面微小不平整处予以填没。所以螺栓的预紧力尚需满足式（1）的要求，因此螺栓的最小预紧力应为Q1与Fa中的大值。3最大预紧力的确定为了保证垫片能在弹性状下工作，在预紧时单位有效面积上的压紧力应控制在4y左右，因此正常垫片“单位面积”的预紧力应当是在y～4y之间[3、4]，即螺栓的预紧力为Fa～4Fa。由于实际配置中螺栓的面积Ab总大于计算所需要的螺栓最小面积Am，为了防止预紧时螺栓过量拧紧造成法兰超载，在计算螺栓最大载荷时，螺栓面积是按实际总截面积与计算面积的平均值考虑的，即螺栓的最大设计载荷不应超过式（7）的计算值，因此为保证螺栓拧紧时不至于把垫片压坏或造成法兰超载，螺栓预紧力应为4Fa与W中的小值。（7）式中：W—螺栓设计载荷（N）;Am—需要的螺栓总面积（mm2）;Ab—实际的螺栓总面积（mm2）;[σ]b—室温下螺栓材料的需用应力（Mpa）4预紧力矩的计算对于螺栓连接，其拧紧力矩M由三部分组成，第一部分由升角产生，用于产生预紧力使螺栓伸长，第二部分为螺纹副摩擦，第三部分为支撑面摩擦[5]。每个螺栓的拧紧力矩可按式（8）计算：（8）式中：M—螺母预紧扭矩（Nmm）;K—拧紧力矩系数，一般取K=0.2;F’—螺栓预紧力（N）;d—螺纹公称直径（mm）;n—螺栓个数;由上述分析可知为了保证密封和连接结构不被过量拧紧，要求螺栓的预紧力最小、最大值分别为：F’min=Max(Q1、Fa)，F’max=Min(W、4Fa)；代入（8）式中则可以求得螺栓预紧扭矩的最大与最小值，实际扭矩应在最大与最小值之间选取。参考文献[1]李世玉．压力容器设计工程师培训教程[M]．新华出版社，2005[2]GB150.1～150.4－2011压力容器[S]．[3]桑茹苞．《规定》中法兰设计的几个问题的浅见[J]．炼油设备设计，1984.1[4]桑茹苞．《规定》中法兰设计的几个问题[J]．压力容器，1986.1byDFGa14.3cGcGpPbmpDpDFFW28.6785.02gfggggfAETTFAETF//.'bbbbAELFF/'1bgfbbgbggbbgLAEAETTLAEAETFFFFQp1bbmAAW2ndKFM/'