基于ASME規(guī)范法蘭螺栓緊固扭矩的計(jì)算和應(yīng)用

馬根

中國石油管道局工程有限公司 第三工程分公司（河南 鄭州 451450）

0 引言

ASME PCC—1—2013《壓力邊界螺栓法蘭連接安裝指南》作為國際通用的螺栓緊固標(biāo)準(zhǔn)，主要優(yōu)勢體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是計(jì)算公式簡單，便于操作；二是實(shí)踐應(yīng)用廣泛，容易得到業(yè)主和監(jiān)理的認(rèn)可。

關(guān)于法蘭螺栓緊固扭矩的計(jì)算，國內(nèi)有很多相關(guān)的研究。蔡暖姝、蔡仁良等人[1-2]全面研究了螺栓法蘭接頭安全密封技術(shù)，并組織制定了GB/T 38343—2019《法蘭接頭安裝技術(shù)規(guī)定》這一國家標(biāo)準(zhǔn)[3]。袁成乾等人[4]研究了ASME PCC—1—2013與Tay?lor-Waters法螺栓載荷計(jì)算分析與對比。張鐵剛[5]研究了ASME PCC—1—2013法蘭密封裝配技術(shù)。王宏偉等人[6]總結(jié)了法蘭管理在伊拉克馬季努恩項(xiàng)目的應(yīng)用。梁立國等人[7]總結(jié)了法蘭管理在沙特阿美站場項(xiàng)目的應(yīng)用。

目前的研究成果雖然給出了工程上常用的螺栓緊固計(jì)算公式，但是公式中各參數(shù)如何選取卻沒有詳細(xì)介紹。同時(shí)，國際工程中經(jīng)常采用英制螺栓，而力矩扳手通常采用公制單位，英制目標(biāo)扭矩的計(jì)算和轉(zhuǎn)換還沒有專門的統(tǒng)計(jì)，不利于工程實(shí)踐中的應(yīng)用。因此在中國石油管道局馬來西亞項(xiàng)目施工中，以最常見材質(zhì)SA193 Gr.B7的25.4 mm（1 in）粗牙螺紋螺栓為例，運(yùn)用ASME PCC—1—2013螺栓緊固公式，結(jié)合ASME B1.1—2003求得英制目標(biāo)扭矩，然后轉(zhuǎn)換為公制目標(biāo)扭矩。并以此類推，求出所有材料英制螺紋緊固扭矩表，用于指導(dǎo)現(xiàn)場法蘭管理施工。

該項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵在于充分理解業(yè)主和監(jiān)理共同認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際，明確標(biāo)準(zhǔn)中未固定的參數(shù)，然后計(jì)算出項(xiàng)目涉及到的所有螺栓緊固的目標(biāo)力矩，并得到業(yè)主和監(jiān)理的批復(fù)，最后再轉(zhuǎn)換為現(xiàn)場操作員工更容易理解的公制單位,這樣才能保證三方質(zhì)量目標(biāo)一致，保障驗(yàn)收環(huán)節(jié)順利。

1 英制螺栓緊固扭矩計(jì)算方法

1.1 扭矩值計(jì)算

1.1.1 螺栓安裝扭矩計(jì)算公式

根據(jù)ASME PCC—1—2013附錄K，采用扭矩系數(shù)K值計(jì)算螺栓安裝扭矩值T的方法[8]如下：

式中：T為目標(biāo)扭矩，ft-lb；K為螺母系數(shù),無量綱；D為螺栓公稱直徑，in；F為目標(biāo)螺栓載荷，lb。

螺母扭矩系數(shù)K根據(jù)ASME PCC—1—2013附錄K，取值范圍為0.16~0.2，在計(jì)算中取K=0.16。

1.1.2 螺栓載荷及螺栓預(yù)緊力計(jì)算公式

目標(biāo)螺栓載荷及螺栓預(yù)緊力計(jì)算公式[5]如下：式中：F為目標(biāo)螺栓載荷，lb；As為螺紋公稱應(yīng)力截面，in2；σy為螺栓材料最小屈服強(qiáng)度，psi；P為材料屈服強(qiáng)度折算系數(shù),無量綱。

最大螺栓預(yù)緊力通常取螺栓屈服應(yīng)力的50%~70%比較合適[9]?？紤]產(chǎn)生60%螺栓屈服應(yīng)力的螺栓扭矩，因此，P=60%。

1.1.3 螺紋公稱應(yīng)力截面計(jì)算公式

螺紋公稱應(yīng)力截面計(jì)算公式參考ASME B1.1附件B[10]：

式中：As為螺紋公稱應(yīng)力截面，in2；D為螺栓公稱直徑，in；1/P為每英寸上螺紋牙數(shù),無量綱。

1.1.4 扭矩值計(jì)算

以最常見材質(zhì)SA193 Gr.B7的1 in粗牙螺紋螺栓為例，根據(jù)ASME B1.1—2003可知，1 in粗牙螺紋每英寸上螺紋牙數(shù)為8,即1/P的值為8。根據(jù)式（3）計(jì)算可得螺紋公稱應(yīng)力截面:

查詢ASME SA—193高溫或高壓及其他特殊用途合金鋼和不銹鋼螺栓材料[11]，可得SA193 Gr.B7材質(zhì)力學(xué)性能，見表1。

表1 SA193 Gr.B7材質(zhì)力學(xué)性能

目標(biāo)螺栓載荷根據(jù)式（2），計(jì)算過程如下:

目標(biāo)扭矩根據(jù)式（1），計(jì)算過程如下:

1 lb=0.453 6 kg,1 ft=0.304 8 m，可以算出1 ft-lb=0.453 6×9.8×0.304 8=1.355（N·m）,1 in=25.4 mm。

由于緊固設(shè)備通常為公制單位刻度,所以目標(biāo)扭矩轉(zhuǎn)換為公制單位,計(jì)算結(jié)果如下:

T=509.040 ft-lb=689.749 N·m。

目標(biāo)扭矩可圓整為690 N·m。SA193 Gr.B7的1 in粗牙螺紋螺栓緊固所需的目標(biāo)扭矩計(jì)算結(jié)果詳見表2。

表2 1 in（25.4 mm）螺紋目標(biāo)扭矩計(jì)算結(jié)果列表

1.2 SA193 Gr.B7英制螺紋扭矩值計(jì)算

根據(jù)1 in粗牙螺紋螺栓扭矩計(jì)算過程，以此類推,可以計(jì)算出所有SA193 Gr.B7螺紋目標(biāo)扭矩值。

當(dāng)螺紋尺寸大于2?2 in時(shí)，需要注意螺栓材料最小屈服強(qiáng)度不再是105 ksi，應(yīng)該采用95 ksi進(jìn)行計(jì)算。匯總計(jì)算結(jié)果后，SA193 Gr.B7螺紋目標(biāo)扭矩值見表3。

表3 SA193 Gr.B7螺紋目標(biāo)扭矩值列表

至于其他材料的螺栓,只要查詢ASMT(美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì))標(biāo)準(zhǔn),找到材料對應(yīng)的屈服應(yīng)力,替換公式（2）中的屈服應(yīng)力,后面的計(jì)算過程都是類似的,這樣就能計(jì)算出所有材料英制螺紋緊固的目標(biāo)扭矩。詳細(xì)的計(jì)算過程不再贅述。

扭矩值表格通常由項(xiàng)目質(zhì)量管理人員計(jì)算，經(jīng)業(yè)主審核通過后，對現(xiàn)場法蘭管理操作人員進(jìn)行技術(shù)交底，由法蘭管理操作人員負(fù)責(zé)實(shí)施。項(xiàng)目質(zhì)量管理人員和監(jiān)理負(fù)責(zé)監(jiān)督、審核、測試螺栓緊固成果。

2 螺栓緊固程序

1）法蘭管理人員必須經(jīng)過相關(guān)理論與操作培訓(xùn)，具備相應(yīng)的安裝和檢查的能力[12]。

2）施工中所需要的扭矩設(shè)備應(yīng)提前送第三方校驗(yàn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行定期效驗(yàn)。

3）無校驗(yàn)編碼或超過有效校驗(yàn)期的扭矩工具不能使用。上緊前先對螺栓進(jìn)行編號(hào)，緊固順序參考ASME PCC—1—2013。

4）螺栓緊固。螺栓緊固時(shí)扭矩應(yīng)嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)試緊固，緊固次數(shù)和每步扭矩根據(jù)業(yè)主的要求執(zhí)行。傳統(tǒng)方法[2]緊固分5次進(jìn)行，以SA193 Gr.B7的1 in（25.4 mm）粗牙螺紋螺栓為例,目標(biāo)扭矩690 N·m,緊固步驟為：①用手?jǐn)Q上螺帽，檢查螺帽擰動(dòng)是否順滑。②第一次緊固：按十字交錯(cuò)的順序使用20%~30%扭矩（選30%T=30%×690=207 N·m）擰緊每個(gè)螺帽。③第二次緊固：按十字交錯(cuò)的順序使用50%~70%扭矩（選60%T=60%×690=414N·m）擰緊每個(gè)螺帽。④第三次緊固：按十字交錯(cuò)的順序使用100%扭矩（690 N·m）擰緊每個(gè)螺絲。⑤第四次緊固：按順時(shí)針方向使用100%扭矩（690 N·m）再次打緊螺絲直到扭力均勻。⑥間隔4 h。⑦第五次緊固：4 h后按順時(shí)針方向使用100%扭矩（690 N·m）再次打緊螺絲直到扭力均勻。

5）緊固過程中應(yīng)時(shí)刻測量其連接頭間隙，緊固完成后螺栓出絲度應(yīng)一致，應(yīng)滿足螺栓出絲度要求（正常出絲1.5~3扣）。

6）法蘭密封面的平行度和對中的允差[8]，如圖1所示。

圖1 法蘭密封面的平行度和對中的允差

7）壓力試驗(yàn)。在試壓過程或試運(yùn)行過程中發(fā)生泄漏，應(yīng)對泄漏口重新緊固。二次緊固完成后應(yīng)對螺帽重新標(biāo)記、檢查無誤后重新掛牌，牌上應(yīng)體現(xiàn)出二次緊固的力距值、緊固日期、檢查人員。

8）扭矩復(fù)查。在每個(gè)螺栓上采用“十”字標(biāo)識(shí)或“一”字標(biāo)識(shí)?，F(xiàn)場質(zhì)檢人員定期（按要求每3個(gè)月）對管理過的法蘭接頭進(jìn)行扭矩復(fù)查。螺栓原始緊固標(biāo)記和標(biāo)記移位檢查如圖2所示。

圖2 螺栓原始緊固標(biāo)記和標(biāo)記移位

9）法蘭標(biāo)識(shí)。①標(biāo)牌法蘭接頭安裝應(yīng)有唯一的識(shí)別標(biāo)簽，表示螺栓上緊以及試驗(yàn)完成狀態(tài)，并于安裝檢驗(yàn)合格后去除。具體內(nèi)容可由安裝單位和用戶協(xié)商確定。法蘭管理標(biāo)牌模板如圖3所示。②二維碼。根據(jù)統(tǒng)計(jì)的法蘭口編號(hào)，按規(guī)范要求制作二維碼標(biāo)簽。根據(jù)圖紙和已掛牌信息對已管理完成的法蘭接頭粘貼二維碼，如有保溫層二維碼應(yīng)粘貼在保溫層表面清晰可見，便于追蹤法蘭接頭數(shù)字化管理信息。

圖3 法蘭管理標(biāo)牌模板

3 應(yīng)用實(shí)例

在馬來西亞項(xiàng)目站場施工中，兩期工程共承擔(dān)了10座儲(chǔ)罐、4臺(tái)球罐、1座雙壁低溫罐和4臺(tái)子彈罐的工藝設(shè)備安裝任務(wù)，施工中嚴(yán)格按照法蘭管理相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和要求進(jìn)行，累計(jì)管理6 210道法蘭連接接頭，經(jīng)試壓、投產(chǎn)運(yùn)行測試無任何泄漏口，一次性投產(chǎn)成功。法蘭管理成果得到業(yè)主的認(rèn)可，促進(jìn)了雙方臨時(shí)驗(yàn)收證明的順利簽署，為項(xiàng)目進(jìn)入質(zhì)保期，盡早拿回質(zhì)保金奠定了基礎(chǔ)。

4 結(jié)束語

采用ASME PCC—1—2013標(biāo)準(zhǔn)公式統(tǒng)一進(jìn)行的法蘭螺栓扭矩的計(jì)算，能夠保障法蘭緊固質(zhì)量，提高施工效率，最大限度地得到外方業(yè)主的認(rèn)可。通過對國際工程法蘭螺栓扭矩計(jì)算經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，建立一套專門用于英制法蘭螺栓安裝扭矩值計(jì)算的指南，對于規(guī)范國際項(xiàng)目法蘭管理的作業(yè)過程，提升螺栓法蘭安裝技術(shù)水平具有重要意義。