帶墊片的法蘭連接中連接螺栓的預緊力研究

歐楚雄+盧平

摘 要：文章從理論上給出了帶墊片的法蘭連接中連接螺栓預緊狀態下預緊力的范圍，為實際工程應用中帶墊片的法蘭連接螺栓預緊力的選用提供了理論依據。

關鍵詞：預緊力；螺栓；法蘭；墊片；密封

中圖分類號：U213.5+2 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）28-0167-02

前言

帶墊片的法蘭螺栓連接是目前工程上應用最為廣泛的可拆卸式連接方式之一，為了保證密封性能，需要對連接螺栓施加一定的預緊力。預緊力太小則不能保證密封性能，預緊力太大則會使墊片，螺栓或法蘭失效。因此，選擇一個合適的螺栓預緊力非常重要。

1 兩種狀態下的最小壓緊力計算公式

預緊狀態下墊片受力情況如圖1所示：

此時法蘭無內壓，螺栓給法蘭的壓緊力為Wa，墊片給法蘭的反作用力為Fa，法蘭達到靜力平衡，在數值上有Wa=Fa。令此時墊片剛好達到密封狀態，無壓力的流體無法通過墊片泄漏，得出預緊狀態下墊片所需的最小壓緊力為墊片比壓力與墊片有效密封面積之積，即為：

Fa=πDby

D-墊片壓緊節圓直徑，mm；

b-墊片有效密封寬度，mm；

y-墊片比壓力，墊片固有值，廠家提供，MPa。

工作狀態下墊片受力情況如圖2所示。

法蘭受由內壓P形成的對法蘭的作用力F，螺栓給法蘭的壓緊力為Wp，墊片給法蘭的反作用力為Fp，法蘭達到靜力平衡，在數值上有Wp=Fp+F。令此時墊片剛好達到密封狀態，有壓力的流體無法通過墊片泄漏，得出工作狀態下墊片所需的最小壓緊力為墊片系數m與內壓P及墊片有效密封面積之積，即為：

Fp=2bπDmP

注：墊片系數m在測定時，對“墊片面積”取為2bπD，此時密封寬度為2倍有效密封寬度，即2b。

由內壓力形成的作用力F為內壓力與作用面積之積，即為：

F=πD2P/4

D-墊片壓緊節圓直徑，mm；

b-墊片有效密封寬度，mm；

m-墊片系數；

P-工作狀態下法蘭內計算壓力，MPa。

2 保證工作狀態下密封性能所需的最小螺栓預緊力

假定法蘭和螺母絕對剛性，假定螺栓和墊片受力時遵從胡克定律，螺栓剛度為f1，墊片剛度為f2。在預緊狀態下施加給螺栓的預緊力為K，此時螺栓受拉力K而伸長了t1，墊片受壓力K而壓縮了t2，二者剛度不同，t1≠t2。進入工作狀態后，在內壓P形成的作用力F作用下，螺栓所受拉力增加了，螺栓伸長量增加△t1，此時螺栓總的伸長量為t1+△t1。由于螺栓伸長量的增加導致墊片回彈，墊片壓縮量減小△t2，此時墊片總的壓縮量為t2-△t2。從預緊狀態到工作狀態，螺栓伸長量的增加△t1等于墊片壓縮量的減小△t2，即△t1=△t2。

令此時墊片剛剛達到密封狀態，此時墊片所受壓力即為Fp，螺栓所受拉力即為Wp=Fp+F。由此可知從預緊狀態到工作狀態，螺栓所受拉力從K增加到Wp，墊片所受壓力從K減小到Fp達到密封條件。螺栓及墊片受力形變的曲線如圖3所示。

由螺栓的剛度f1及螺栓工作狀態下受力Wp=Fp+F可得出B點位置，此時螺栓形變為t1+△t1，OB即為螺栓受拉力的形變曲線。由墊片剛度f2可得出墊片形變曲線的斜率，由工作狀態下墊片受力為Fp且此時△t1=△t2可知僅當墊片形變曲線通過A點時滿足要求，曲線DC即為墊片形變曲線，D'C'和D''C''均不滿足要求。在C點處螺栓和墊片受力相等，該點對應的力即為能保證工作狀態下密封性能所需的最小螺栓預緊力K，K值大于Fp小于Wp。令△t1=△t2=△t，由Wp-K=△tf1， K-Fp=△tf2可得出：

K=Fp+Ff2/（f1+f2）=2bπDmP+πD2P/4*（f2/（f1+f2））

3 連接螺栓的最大許用預緊力

施加在墊片上的壓緊力太大會使墊片發生塑性變形而失去回彈能力，當連接螺栓在內壓力P的作用下伸長時，墊片無法回彈而引起泄漏。因此為了不使墊片破壞，必然有一個對應的最大許用預緊力，定義為F1。工程上一般認為墊片單位有效密封面積上的壓緊力不得大于4y，即：

F1=πDb×4y

考慮螺栓強度性能可知，必然對應有一個最大載荷，定義為F2。當施加的預緊力超過這個最大載荷時，會引起螺栓螺紋的破壞而導致螺栓失效引起泄漏，此時有：

F2=nAS

n-整圈螺栓數量；A-螺紋的應力截面積；S-螺栓材料許用應力。

螺栓壓緊力太大同樣會引起法蘭變形而使法蘭失效引起泄漏，定義這個使法蘭失效的最大壓緊力為F3。

4 連接螺栓的預緊力范圍

由前文分析可知，對于帶墊片的法蘭連接螺栓的預緊力f，應該是大于等于保證工作狀態下密封性能所需的預緊狀態下的最小螺栓預緊力K，小于考慮各種因素下連接螺栓的最大許用預緊力中的最小值，即連接螺栓的預緊力范圍為：

K≤f

由于K=Fp+Ff2/（f1+f2）是在法蘭為絕對剛性且螺栓和墊片遵從胡克定律的前提下得出的，但實際情況并非完全如此。墊片受壓時的形變往往是非線形的，因此實際應用中連接螺栓最小預緊力可取為K=Fp+F，再忽略法蘭失效的極端情況F3，可得出實際應用中連接螺栓的預緊力范圍為：

Fp+F≤f

5 結束語

本文就各種情況進行了仔細分析，給出了帶墊片的法蘭連接中連接螺栓的預緊力的理論許用范圍，可作為實際應用中的參考。但理論計算難免存在缺陷和偏差，在高密封要求的場合，通過實驗也許能夠得到更為滿意的結果。

參考文獻：

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