關(guān)于螺栓扭矩計(jì)算工況及提高倍數(shù)的討論

陳詩(shī)清

（無(wú)錫化工裝備股份有限公司，江蘇 無(wú)錫 214124）

法蘭的密封是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，影響密封因素有很多。涉及法蘭、墊片、緊固件、密封面的平整度等[1]，其中還包括螺栓上緊。然而近些年常常出現(xiàn)水壓時(shí)由于螺栓上緊問(wèn)題而出現(xiàn)泄漏的情況，這個(gè)問(wèn)題也時(shí)常會(huì)造成一定的經(jīng)濟(jì)損失和項(xiàng)目進(jìn)度的延遲，出現(xiàn)的情況有兩種：

（1）圖紙上沒(méi)有相關(guān)的螺栓扭矩值，此種情況，螺栓的上緊具有一定盲目性，對(duì)于小直徑的螺栓，有可能會(huì)出現(xiàn)上緊過(guò)載，造成螺栓和墊片損壞，從而出現(xiàn)泄漏，存在安全隱患。而當(dāng)螺栓直徑過(guò)大時(shí)，一般的上緊工具可能無(wú)法上緊螺栓，造成水壓時(shí)出現(xiàn)泄漏。

（2）圖紙上有相關(guān)的螺栓扭矩值。此種情況，往往客戶要求實(shí)際操作時(shí)必須按圖紙上的扭矩值進(jìn)行操作，通常水壓試驗(yàn)時(shí)也會(huì)出現(xiàn)泄漏情況。此時(shí)，即使出現(xiàn)泄漏，客戶一般都不允許繼續(xù)擰緊，會(huì)找工程師繼續(xù)核算。但常常會(huì)查不出任何數(shù)據(jù)上的問(wèn)題。

通常情況下，GB 的設(shè)計(jì)常常借鑒ASME 作為指導(dǎo)螺栓扭矩的計(jì)算和螺栓的上緊，但在借鑒的過(guò)程中有某些條件不具體，如最后決定螺栓扭矩值的工況是水壓工況，水壓試驗(yàn)螺栓扭矩沒(méi)有基于操作或預(yù)緊工況再相應(yīng)提高一定的倍數(shù)，最后導(dǎo)致計(jì)算上存在一些問(wèn)題。本文將進(jìn)行詳細(xì)的論述，解決這些問(wèn)題。

1 螺栓扭矩計(jì)算方法

關(guān)于螺栓扭矩的計(jì)算，目前國(guó)內(nèi)的壓力容器設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有提供相關(guān)的指導(dǎo)和規(guī)定。通常在設(shè)計(jì)過(guò)程中引用ASME VIII-1 和ASME PCC-1 中的計(jì)算方法和要求。

螺栓扭矩計(jì)算公式有兩種表達(dá)方式：

式中，F(xiàn)a取W1和W2較大值。

2 螺栓扭矩提高倍數(shù)K1的推導(dǎo)

2.1 影響因素分析

從式（2）可以看出直接影響扭矩計(jì)算值的因素有兩個(gè)，一個(gè)是螺母系數(shù)K，另一個(gè)是螺栓載荷Fa。

下面就這兩個(gè)因素具體論述：

（1）K的取值，通常螺栓沒(méi)有鍍層取 0.2，有鍍層取0.16[3]。

（2）關(guān)于K值的選取相對(duì)較為明確，影響就比較固定。因此，在此著重討論的是Fa螺栓載荷選取，計(jì)算螺栓扭矩工況的選擇。

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，通過(guò)“數(shù)字黃河”工程建設(shè)、水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)體系建設(shè)、黃河水資源保護(hù)重大問(wèn)題研究等，水資源保護(hù)現(xiàn)代化水平和科技支撐能力不斷提高。

對(duì)于一臺(tái)設(shè)備的法蘭通常都會(huì)有三個(gè)大的工況過(guò)程：一是預(yù)緊；二是制造廠的水壓試驗(yàn)，這是考驗(yàn)一個(gè)法蘭設(shè)計(jì)密封的第一步；三是正常操作工況。一般為了考慮安全上的余量，采用設(shè)計(jì)工況替代操作工況計(jì)算、設(shè)計(jì)法蘭。

根據(jù)設(shè)計(jì)上的思路，F(xiàn)a取設(shè)計(jì)工況和預(yù)緊工況中螺栓載荷的較大值進(jìn)行螺栓扭矩的計(jì)算，認(rèn)為是安全的可以密封的。但往往忽略了一點(diǎn)，水壓試驗(yàn)的值，相對(duì)設(shè)計(jì)計(jì)算壓力是有放大和修正的。根據(jù)ASME VIII-1 附錄S，水壓試驗(yàn)時(shí)的螺栓扭矩值應(yīng)該在設(shè)計(jì)工況下提高1.5 倍。然而，對(duì)于某些設(shè)備提高1.5 倍之后依然還會(huì)存在水壓試驗(yàn)時(shí)，螺栓上緊密封不住的情況。初步判斷應(yīng)該是水壓試驗(yàn)值的不同而導(dǎo)致的結(jié) 果。

就此基于GB 和ASME 設(shè)計(jì)體系水壓試驗(yàn)值的計(jì)算推導(dǎo)出具體的螺栓扭矩提高倍數(shù)K1值。

2.2 GB/T 150壓力容器設(shè)計(jì)水壓試驗(yàn)壓力計(jì)算值

2.3 ASME壓力容器設(shè)計(jì)水壓試驗(yàn)壓力計(jì)算值

2.3.1 UG-99（b）水壓試驗(yàn)計(jì)算值式中 MAWP——最大許用工作壓力，MPa。

同樣，當(dāng)W2＞W(wǎng)1時(shí)，則Fa=W2，在結(jié)構(gòu)和墊片固定的情況下，令（0.785DG+6.28bm）為K2，W2與pc成正比關(guān)系，根據(jù)公式（2）螺栓扭矩Tb與Fa也成正比關(guān)系。

所以得到設(shè)計(jì)工況扭矩值：

3 實(shí)際法蘭螺栓扭矩K1提高倍數(shù)的列舉

針對(duì)同一臺(tái)設(shè)備，按GB 和ASME 設(shè)計(jì)，分別見(jiàn)表1、表2，然后再基于不同的設(shè)計(jì)壓力和不同設(shè)計(jì)溫度下產(chǎn)生W2＞W(wǎng)1和W2＜W1兩種情況得到不同的計(jì)算扭矩提高倍數(shù)K1系數(shù)值。

表1 GB 設(shè)計(jì)Table 1 GB design

當(dāng)設(shè)計(jì)溫度取200 ℃，只有工況g 的K1系數(shù)超出了1.5。

當(dāng)設(shè)計(jì)溫度取350 ℃，工況c、i、k 的K1系數(shù)超出了1.5。

W2＞W(wǎng)1情況下的K1值都比W2＜W1時(shí)高。

表中的工況螺栓扭矩在水壓工況提高K1倍之后的螺栓應(yīng)力均沒(méi)有超出螺栓的許用應(yīng)力。

所以在結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法固定的情況下，K1系數(shù)與設(shè)計(jì)溫度、設(shè)計(jì)壓力以及MAWP 的取值直接相關(guān)。

4 結(jié)束語(yǔ)

從以上K1的公式推導(dǎo)結(jié)果以及實(shí)際的K1系數(shù)的列舉可得出如下幾個(gè)結(jié)論：

對(duì)于GB 設(shè)計(jì)和ASME 設(shè)計(jì)的MAWP 等于設(shè)計(jì)壓力的情況，根據(jù)ASME VIII-1 附錄S 中，螺栓扭矩值提高1.5 倍的做法大部分在溫度不高的情況應(yīng)該是可行的。

當(dāng)水壓試驗(yàn)壓力計(jì)算值pt（1.25× （[σ]/[σ]t）或者1.3× （[σ]/[σ]t））大于1.5 時(shí)，水壓工況時(shí)就不能滿足螺栓上緊要求。

對(duì)于ASME 設(shè)計(jì)，大部分要求嚴(yán)格的客戶基本都會(huì)要求MAWP 取實(shí)際設(shè)備計(jì)算的MAWP，這種情況設(shè)備設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮外載荷等因素的影響，MAWP的取值往往會(huì)比設(shè)計(jì)壓力大出很多。這時(shí)如果拿經(jīng)驗(yàn)法提高1.5 倍的做法，水壓時(shí)出現(xiàn)泄漏的可能性極大。

螺栓上緊扭矩值計(jì)算的工況取決于水壓工況，最后上緊的螺栓扭矩值應(yīng)基于操作或預(yù)緊的螺栓扭矩值提高倍數(shù)系數(shù)K1倍，且這種做法在實(shí)際過(guò)程中具有一定的指導(dǎo)意義。