對乙烯產品汽化器法蘭連接螺栓預緊力及力矩的分析計算

姚印樹

中石化股份天津分公司烯烴部，天津 300270

0 引言

某石化廠分離單元乙烯產品輸出汽化器EA423 為U 型管式換熱器，其中管側是通過中間罐區的乙烯外送泵輸送過來的乙烯產品，殼側為低壓蒸汽，低壓蒸汽將液相乙烯加熱氣化后輸送到下游界區的氣相乙烯用戶。

由于管殼兩側介質溫差將近180℃，溫差應力較大，對設備法蘭、墊片密封處提出了較高的要求，該換熱器先后出現過介質從設備法蘭、墊片密封處發生泄漏，給裝置的穩定運行，及安全生產造成很大的影響。從EA423 泄漏后拆卸的情況初步分析，預緊螺栓時上緊螺栓預緊力不合適及操作不當，造成墊片壓偏、壓損，墊片回彈性能變差，最終導致了墊片密封的泄漏。下面就實際施工過程中螺栓預緊力進行簡要計算分析。

1 螺栓預緊力及預緊力矩的計算分析

螺栓連接的法蘭接頭是一種應用極為廣泛的結構，它屬于強制密封，依靠連接件通過被連接件強制擠壓密封元件使之密封。這種連接方式結構簡單，上緊螺母后，螺栓力通過法蘭壓緊面作用到墊圈上，當墊圈單位面積上所受的壓緊力達到某一值時，墊圈本身被壓實，壓緊面上由機械加工形成的微隙被填滿，為阻止介質泄漏形成了初始密封條件。這個施加給螺栓保證密封完好，不發生泄漏的力稱為預緊力。預緊力是影響密封的重要因素。適當的預緊力可保證墊片在工作時還可保留一定的密封比壓，預緊力過大則會把墊片壓壞或擠出。該換熱器依據ASME 規范標準設計制造，法蘭螺栓連接部分的計算方法采用“華特斯”方法，近似于GB150法蘭連接章節中對螺栓載荷的計算。該換熱器詳細參數如表1。

表1

1.1 根據GB150-1998，計算螺栓載荷

1）在預緊狀態下需要的最小螺栓載荷

每個螺栓上的載荷：Wa/40=46kN

式中Wa為預緊狀態下，需要的最小螺栓載荷

FG為預緊狀態下需要的最小的墊片壓緊力

DG為墊片壓緊力作用中心圓直徑（詳見GB150）

b 為墊片有效密封寬度

y 為墊片比壓力

2）操作狀態下需要的最小螺栓載荷WP包含兩部分，一部分是平衡內壓產生的軸向力一部分是確保墊片密封所需的壓緊力FP=2πDGbm PC，即操作狀態下所需螺栓最小載荷

每個螺栓上的載荷： WP/40=77kN

式中WP為操作狀態下需要的最小螺栓載荷F 為流體壓力引起的總軸向力

FP為操作狀態下需要的最小的墊片壓緊力m 為墊片系數PC為計算壓力

DG、b 定義同上。

由以上公式可以看出預緊狀態下螺栓所受的力Wa= FG，只是預緊狀態下需要的最小墊片壓緊力，并非所說的預緊力。因為m值和y 值都是墊片本身特有的數值，其值因墊片的形狀、材質等不同而異。所以FG本身與操作狀態無關。而在實際操作工況中需要的預緊力是要在滿足操作時不泄漏，也就是要螺栓能保證在操作時螺栓的荷載保持在WP值的預緊力下。

1.2 預緊力的計算

圖1

正確的預緊力的計算方法，需綜合考慮法蘭連接點的螺栓、墊片材料，連接狀態、操作狀態等各種因素的影響進行分析計算來確定。圖1 為從預緊狀態到操作狀態的變化情況。

設螺栓在受力時，其力與伸長關系如斜線DB。B 點是由操作狀態下的螺栓載荷Wp 決定的，此時螺栓伸長值為DG。設墊片在受力時，其力與壓縮關系如斜線FC ，C 點是由操作狀態下的墊片載荷Fp 決定的，此時墊片的壓縮值為FG。將FC 延長與DB 交于A 點，在A 點時，螺栓與墊片載荷相等為f ，此時螺栓伸長值為DE ，墊片壓縮值FE ，A 點即預緊時的狀態，f 即所需的預緊力。這示意圖說明，由預緊狀態變為操作狀態，隨著內壓引起的軸向力F的增加，螺栓載荷在f 基礎上有所增加，墊片載荷在f 基礎上有所減小。如果不考慮在升壓過程中墊片受壓變化的影響，螺栓載荷本應為f + F，但由于墊片受到的壓縮力減少而松（回彈） ，壓縮墊片所需的螺栓載荷只為Fp，再加上內壓引起的軸向力F ，就組成操作狀態的螺栓載荷Wp。f 與Fp的差值ΔF 即為墊片松弛時所減少的受力值。因此可以看出：預緊力f 即不是Wp+ F ，也不是螺栓材料的屈服極限或許用應力，而是一種考慮了內壓作用和墊片在升壓過程中松弛的綜合結果。

由前面的分析看出，只要算出由內壓PC作用引起的墊片松弛所減少的壓緊力ΔF ，就可以用它和Fp求得預緊力f 。操作時，流體靜壓總軸向力F 作用于法蘭連接點，使螺栓相應伸長ΔLb，此時，墊片由于螺栓伸長而松弛(回彈) ，變形值為ΔLG，由于墊片回彈變形值應與螺栓伸長值相協調，故ΔLG=ΔLb

根據虎克定律：

墊片回彈值:ΔLG=ΔFtg/ EgAg

螺栓伸長值:ΔLb= ( F - ΔF) lb/ EbAb

式中Eb為螺栓材料在操作溫度下的彈性模量（MPa）；

Eg為墊片材料在操作溫度下的彈性模量（MPa）；

Ab為螺栓總截面積（mm2）；

Ag為墊片實際接觸面積（mm2）；

lb為螺栓計算長度（mm）；

tg為墊片計算厚度（mm）。

根據圖2 ，預緊力f = FP+ΔF=0.575×106+2.48×106= 3.055×106N

每個螺栓上的預緊力：f/40=76.4KN

SA320.L7 材料的屈服強度σs=725MPa

即σ＜σs，材料強度滿足要求。

1.3 預緊力矩的計算

T = KWd =0.15×3.055×106×0.02773=12707 NM

式中K- 螺栓與螺母間的摩擦系數;

W -取Wa及f 中的較大值（N）;

d- 螺紋中徑（m）。

2 結論

根據計算的上緊螺栓力矩值，對法蘭連接螺栓使用液壓工具進行精確的扭矩上緊操作，并嚴格控制施工上緊螺栓順序。經過運行實踐證明，法蘭墊片密封處密封較好，未再發生泄漏情況。

計算出預緊力矩后，則可在法蘭連接裝配時有目的地上緊螺栓，避免發生泄漏時，不去分析其它原因，單純認為是上得不緊而多次上緊，結果造成螺栓受力過大而失效。同時應該看到，并不是確定了預緊力矩就一定可以保證法蘭連接點在試壓或操作中不泄露。因為上述計算是從理想的條件出發的。在實際連接中，影響上緊力矩的因素很多，如螺栓、螺母的制造質量、法蘭剛度、螺母與螺栓及法蘭接觸面的潤滑情況、操作條件、螺栓上緊順序等，尤其是墊片的材質、加工質量影響最大。因此，要在對其理論的計算和特性分析后，結合實際條件，將影響泄漏的因素考慮在內，才會有效的分析和避免在法蘭連接中的泄漏問題。