淺談ASME標準螺栓扭矩計算方法

吳秉澤

摘要：2014年我公司中標了位于菲律賓北拉瑙省考斯瓦根市4×135MW（凈輸出）燃煤電站以及相關(guān)設(shè)施項目EPC總承包合同，參與了“一帶一路”的建設(shè)大潮中。國外業(yè)主方要求按照美國ASME標準施工。其中，對螺栓扭矩要求嚴格按照《ASME-PCC-1壓力邊界螺栓法蘭連接裝配指南》附錄O進行螺栓扭矩應力計算，并考慮目標裝配墊片應力、法蘭屈服應力等。

關(guān)鍵詞：螺栓扭矩;應力計算;目標裝配墊片應力;法蘭屈服應力

0 ?引言

目前，國家倡導“一帶一路”政策，讓中國企業(yè)“走出去”，很多工程企業(yè)在海外項目中施工標準也不再是常用的國內(nèi)標準，多數(shù)國外業(yè)主會要求按照美國ASME標準施工。其中，對螺栓扭矩要求嚴格按照《ASME-PCC-1壓力邊界螺栓法蘭連接裝配指南》附錄O進行螺栓扭矩計算。

本附錄的目的是為確定適當?shù)难b配螺栓應力提供指導，同時適當考慮接頭的完整性。本附錄中規(guī)定的詳細程序適用于法蘭接頭，法蘭接頭采用受控裝配方法。對簡單方法和聯(lián)合組件方法都作了規(guī)定。

1 ?定義

《ASME-PCC-1壓力邊界螺栓法蘭連接裝配指南》附錄O所述螺栓扭矩計算公式需要用到的相關(guān)參數(shù)符號、名稱及單位表示，見表1。

2 ?扭矩計算方法

螺栓扭矩的計算需要考慮現(xiàn)場應用指定螺栓應力所涉及的實用性。附錄O介紹了兩種方法：

①簡單的單裝配螺栓應力方法。這種方法使用更簡單，但可能導致接頭組件損壞。

②比較復雜的基于聯(lián)合部件的辦法，這種方法考慮到每個部件的完整性。

為了確定所有法蘭上的標準裝配螺栓應力，應當至少考慮給定墊片類型的目標墊片應力SgT。如果認為有必要，還可以考慮關(guān)于聯(lián)合組件方法所概述的其他完整性問題。

3 ?接頭組件方法

在使用關(guān)節(jié)部件法計算適當?shù)难b配螺栓應力之前，必須知道幾個值。

①在裝配墊片應力和墊片工作溫度下的最大允許法蘭旋轉(zhuǎn)（？覫gmax）必須從工廠測試數(shù)據(jù)或墊片制造商處獲得。目前還沒有確定這個值的標準測試;然而，膨脹聚四氟乙烯墊圈的典型極限從0.3°到典型石墨填充金屬墊圈的1.0°不等。根據(jù)使用所述墊圈類型的給定服務中法蘭當前存在的旋轉(zhuǎn)量的計算，可以為給定位置確定適當?shù)臉O限。

②最終用戶必須選擇最大允許螺栓應力（Sbmax）。這個值的目的是消除在裝配過程中對螺栓或裝配設(shè)備的損壞，并且可能因現(xiàn)場而異。它通常在常溫下螺栓屈服應力的40%到70%之間。

③最終用戶必須選擇最小允許螺栓應力（Sbmin）。此值旨在提供一個較低的極限，以便螺栓不準確不會成為指定的裝配螺栓應力Sbsel的重要部分。該值一般在常溫下螺栓屈服應力的20～40%之間。

④法蘭的最大允許螺栓應力（Sfmax）必須根據(jù)特定的法蘭配置確定。這可以用彈性閉型解或彈塑性有限元分析來發(fā)現(xiàn)。此外，在計算極限時，還應確定法蘭在該負載下的旋轉(zhuǎn)（？覫fmax）。附錄O列出了用于彈性閉合形式解和彈塑性有限元解的法蘭極限荷載實例。

⑤靶組件墊片應力（SgT）應由最終用戶與密封墊制造商協(xié)商確定。目標墊片應力應選擇在可接受的墊片應力范圍的上端，因為這將提供最大的緩沖區(qū)，防止接縫泄漏。

⑥墊片最大許用應力（Sgmax）必須從工廠測試數(shù)據(jù)或墊片制造商處獲得。這個值是裝配溫度下的最大壓縮應力，基于全密封墊面積，密封墊能夠承受，對密封墊元件沒有永久損傷（過度泄漏或缺乏彈性恢復）。所提供的任何值都應考慮法蘭旋轉(zhuǎn)對法蘭類型的影響，這種法蘭類型在增加外徑上的局部墊圈應力時應予以考慮。

⑦最小墊片預緊應力（Sgmin-s）必須從工廠測試數(shù)據(jù)或墊圈制造商處獲得。該值是在裝配溫度下的最小推薦壓縮應力，并基于整個密封墊區(qū)域。該值是密封墊應裝配到的應力，以便獲得足夠的重新分配任何填料材料，并確保密封墊和法蘭面之間的初始密封。

⑧最小墊片運行應力（Sgmin-o）必須從工廠測試數(shù)據(jù)或墊片制造商處獲得。這個值是在運行過程中推薦的最小壓縮應力，并基于整個密封墊區(qū)域。這是密封墊的應力，應保持在密封墊運行期間，以確保不會發(fā)生泄漏。

⑨密封墊松弛率（φg）也必須從工業(yè)測試數(shù)據(jù)或密封墊制造商處獲得，用于與正在評估的法蘭配置類似的密封墊。如果沒有可用的數(shù)據(jù)，可以使用默認值0.7。

在確定上述參數(shù)范圍后，即可對每個計算使用以下公式。這個公式可以編制電子表格公式或軟件程序來執(zhí)行，這樣可以不用一個一個計算，而是同時得出許多值。

步驟1：根據(jù)式（O-1）確定目標螺栓應力。

步驟2：確定螺栓上限是否受控

Sbsel=min.（Sbsel，Sbmax） ? （O-4）

步驟3：確定螺栓下限是否受控

Sbsel=max.（Sbsel，Sbmin） ? （O-5）

步驟4：確定法蘭極限是否受控

Sbsel=min.（Sbsel，Sfmax） ? （O-6）

步驟5：檢查墊圈總成閥座應力是否達到要求。

Sbsel≥Sgmin-s[Ag/（Abnb）]（O-7）

步驟6：檢查墊圈的工作壓力是否保持不變。

Sbsel≥（Sgmin-oAg+π/4PmaxGI.D.2）/（ψgAbnb） ? ? （O-8）

步驟7：檢查墊圈是否超過最大應力。

Sbsel≤Sgmax[Ag/（Abnb）]（O-9）

步驟8：檢查法蘭旋轉(zhuǎn)極限是否超出。

Sbsel≤Sfmax （θgmax/θfmax） ? ?（O-10）

如果計算過程中，超過了最后的檢查步驟5到步驟8其中一項，那么應該判斷確定哪個控制極限對完整性更重要，從而選擇合適的螺栓負載。然后可以使用公式（O-2M）或（O-2）計算裝配螺栓扭矩值表。

對于步驟4，需要注意的是，在某些情況下（如高溫不銹鋼法蘭），法蘭的屈服強度在運行過程中可能會顯著降低。在這種情況下，法蘭極限應根據(jù)比例（SfmaxSyo/Sya）降低。要確定是否必須進行這種調(diào)整，一個有用的比率是將減少量與松弛發(fā)生量進行比較，如果減少量比松弛量大，則應包括這種影響。檢驗表示如下：如果（1-Syo/Sya）>1.25φg，則應包括縮減因素。

對于步驟6，要注意，這種簡單的處理沒有考慮到由于部件彈性相互作用而在運行過程中螺栓載荷的變化。

4 ?計算樣例

選取SA-105鋼法蘭、SA-193 B7鋼螺栓、帶內(nèi)環(huán)纏繞墊裝配螺栓扭矩，NPS 6 600型法蘭在常溫下工作，螺母系數(shù)取0.15。其對應螺栓個數(shù)為12個，直徑1英寸。螺紋根部直徑為0.838英寸。

Ab=π*0.838^2/4≈0.5515in.2

nb=12

A=6.618 in.2

通常墊片內(nèi)外徑由廠家提供，這里我們采用ASME規(guī)范中提供的NPS6 600內(nèi)徑為6.88英寸，外徑為8.25英寸，由π/4 （GO.D.2-GI.D.2）]公式計算得 Ag=16.28in.2

ψb= 1 in.

從《ASME B16.5》標準查得Pmax.=1480.8353 psig （1.48 ksi）。

ψg = 0.7

GI.D.=6.88 in.

Determine Bolt Stress：

Equation （O-1）： Sbsel = 30×（16.28/6.618） = 73.8 ksi

A193 Gr. B7（ =<2.5）螺栓屈服強度為105000 psi，通常，Sb max 取屈服強度的70%，Sbmin取屈服強度的20%。

Equation （O-4）： Sbsel = min. （73.8， 73.5） = 73.5 ksi

Equation （O-5）： Sbsel = max. （73.5， 21） = 73.5 ksi

由ASME PCC-1 Table O-2： Sfmax = 84 ksi （默認Syo = Sya）

Equation （O-6）： Sbsel = min. （73.5， 84） = 73.5 ksi

Additional Checks：

Equation （O-7）： Sbsel ≥ 10 （16.28/6.618） ≥ 24.6 ksi √

Equation （O-8）： Sbsel ≥ （6.0 × 16.28 + π/4 ×1.48 ×6.882）/（0.7 ×6.618） ≥33 ksi √

Equation （O-9）： Sbsel ≤ 30 （16.28/6.618） ≤ 73.8 ksi √

Table O-4： θfmax = 0.3 deg

θgmax = 1

Equation （O-10）： Sbsel ≤84 （1.0/0.3） ≤ 280 ksi √

Equation （O-2）： Tb = 73500 × 0.15 ×0.5515×1/12

Tb ≈ 505 ft-lb （扭矩四舍五入接近5 ft-lb）

注意，對于某些法蘭（例如NPS 8，等級150），附加的限制（O-7）無法滿足。在這種情況下，應該使用設(shè)計判斷來確定哪個極限對接頭的完整性更重要，并相應地修改Sbsel的值。應該指出，所提出的數(shù)值并不是硬性限制（即，如果墊圈應力低于極限0.1psi，則不會發(fā)生法蘭泄漏），因此，在使用這些值時有一些余地被認為是正常的。

5 ?法蘭限制

①已經(jīng)確定了一系列的彈性分析極限，允許計算將導致法蘭永久變形的近似裝配螺栓應力。由于該螺栓應力近似，且法蘭材料屈服傾向于下界，因此在不修改或附加安全系數(shù)的情況下使用這些極限被認為是合適的。

②采用彈塑性非線性有限元分析（FEA）方法對裝配螺栓載荷進行分析，是確定裝配螺栓載荷極限更為準確的方法。在WRC公告528中概述了執(zhí)行這種分析的需求。無需重新分析接頭配置的微小變化（如不同的墊圈尺寸或法蘭材料屈服強度的微小變化），利用墊圈力矩臂的變化率或不同屈服強度的比值進行線性插值，即可估算新情況下裝配螺栓應力極限。

6 ?結(jié)語

接頭組件方法在簡單方法的基礎(chǔ)上，進一步考慮了法蘭接頭中各個元件的極限承載能力、保證密封需要的墊片應力、所有操作載荷和墊片松弛等情況，從而防止墊片破碎，大大降低了法蘭接頭泄露事故。

參考文獻：

[1]ASME PCC-1-2010，Guidelines for Pressure Boundary Bolted Flange Joint Assembly[S].

[2]ASME PCC-1-2000，Guidelines for Pressure Boundary Bolted Flange Joint Assembly[S].

[3]關(guān)凱書，王志文，蔡仁良.ASME PCC-1-2010《壓力邊界螺栓法蘭連接安裝指南》的解析[J].壓力容器，2011，12（8）：41-47.