承壓設備用螺紋副旋合長度確定方法探討

徐樹林, 牟力波, 劉艷鵬 ,焦剛毅

(1. 哈電集團 中央研究院；2. 哈爾濱電機廠有限責任公司,黑龍江 哈爾濱 150028)

0 概 述

承壓設備中，螺紋副連接如下面圖1～圖6，現在需要明確螺柱與螺母連接的承載能力多大，滿足設計所需軸向壓緊力所需要旋合的長度是多少？螺柱與種植部位連接的承載能力值，以及旋合長度應該設計成多少合適？

1 螺紋副受力分析

見圖1，螺紋副力N假設作用在連接副的中徑圓旋合線上，該作用力分解成沿螺柱的軸向力F和徑向力G。軸向力F 是連接副有用的力，G是沒有作用的內力。F力對于螺柱，有2個指標制約，1是螺柱的最小直徑處，不管是螺桿還是螺紋處其直徑最小處會限制F 的大??；2是螺柱的剪切力，它的抗剪切的力會制約這個F值的大小。對于螺母及種植螺紋的內螺紋區域，其旋合區的抗軸向剪切力也會限制F值的大小。P-螺距。

圖1 螺紋副受力分析示意圖[2]

2 連接副僅需要螺柱軸向拉力F時合理確定螺柱直徑及旋合長度

2.1 如果螺母上緊用扳手則螺柱的最小直徑處的軸向拉應力值如下：

(1)

有(1)式可推出螺柱需要的最小直徑：

(2)

F——螺栓軸向應力值；

σ——螺柱最小直徑處的軸向拉應力值；

[σ]——螺柱材料在設計溫度下的許用應力值；

d1——螺柱根徑或者是最細光桿的最小直徑值。

式(1)中的系數1.3是克服扳手扭矩所需要的螺柱直徑的裕量值，占30%；(2)式計算所得到的直徑是最小值，設計要適當考慮5%以上的安全裕量。

2.2 如果螺母上緊用液壓拉伸器則螺柱的最小直徑處的軸向拉應力值如下：

(3)

相應的所需要的螺柱最小直徑值如下：

(4)

式(3)中的系數1.1是克服液壓拉伸器載荷所需要的螺柱直徑的裕量系數值，占10%；(4)式計算所得到的直徑是最小值，設計要適當考慮5%以上的安全裕量。

2.3 計算螺柱需要的旋合長度值

依據參考資料[2]可以獲得內、外螺紋的旋合長度值。

螺柱螺紋抗剪應力面積[3]：

Asa=π(1/P)(LEb)(D1max)·

(5)

Asa——外螺紋的最小螺紋剪應力面積；

P——螺距；

LEb——螺柱的旋合長度；

D1max——內螺紋最大小徑；

D2min——外螺紋最小中徑。

螺紋的抗剪強度是0.5[σ][3]，依據此限制有下式成立：

F=Asa·0.5[σ]

(6)

(5)和(6)聯立得外螺紋螺柱需要有效的旋合長度：

(7)

上面公式(7)表達了滿足連接副螺柱所需要的軸向拉伸力所需要的有效旋合長度的最小值。

螺母或者種植體內螺紋抗剪應力面積[3]：

Asn=π(1/P)(LEN)(dmax)·

(8)

Asn——內螺紋的最小螺紋剪應力面積；

LEN——螺母的旋合長度;

LEH——種植體的旋合長度;

dmin——外螺紋最小大徑；

D2max——外螺紋最小大徑；

(6)和(8)聯立得內螺紋螺母或者種植連接的內螺紋需要的有效旋合長度：

(9)

上面公式(9)表達了滿足連接副所需要的軸向拉伸力螺母或者種植連接的內螺紋所需要的有效旋合長度的最小值。

螺紋連接副需要的旋合長度是組成連接副的內外螺紋所需旋合長度的大者，最終這旋合長度與螺紋連接副的連接結構有關系。

2.4 實際選擇的旋合長度的確定

旋合長度值，要依據具體結構而定。分下面的(a)、(b)、(c)3種情況。

(a)螺柱和螺母的連接

圖2 螺紋副連接中螺柱與螺母的連接結構示意圖

上面連接中螺柱的軸向力是已知的，螺柱直徑也是依據所需要的軸向壓緊力計算并采用的。

其旋合長度要依據螺柱及螺母的大者確定，螺母的有效旋合長度是螺母厚度值減去螺母兩端面的倒角量2h=2x1.1x3/8P(單側的倒角一般是半個螺紋齒，即是3/8P見圖1,注：1.1是本案給出的裕量值)，再減去螺母兩側1.0P(P-螺距)的無效螺牙量，單側考慮0.5P,還有與上緊方式相對應的裕量系數，并考慮適當的安全裕量。

(b)種植螺柱與種植內螺紋的連接，且兩被連接面被螺柱壓緊，如下面圖3的連接，種植內螺紋被

圖3 螺紋副連接結構示意圖

連接件的下表面壓緊，這種情況下從連接面起始的2.0 P(P-螺距)，這部分視為薄弱連接區域，出于保守的思想視為無效旋合長度，再考慮上緊方式相對應的裕量系數的量，并考慮適當的安全裕量。

(c)種植螺柱與種植內螺紋的連接，且兩被連接面沒有被螺柱壓緊，分開一定的間距。

設置成圖4的連接，種植內螺紋沒有被連接件的下表面壓緊，而是離開一定的距離b，這種情況下，從種植體表面起始在4.0 P(P-螺距)的區域視為無效連接區域，再考慮一定的安全裕量。

圖4 螺紋副連接結構示意圖

如果設置成下面圖5的結構，未攻絲的深度L不大于4.0 P，從種植體表面起4.0 P視為無效區域；如果未攻絲的深度大于4.0 P，其旋合長度不需考慮加4.0 P，但需要考慮種植體表面單側的倒角深度值，以及無效的0.5 P螺牙的量,其它仍同上。

圖5 螺紋副連接結構示意圖

3 舉例說明

圖6 法蘭用螺紋副連接結構示意圖

3.1 校核螺柱根經尺寸

螺柱必須是滿足軸向拉伸應力的基礎上來研究旋合長度的，此螺柱螺母上緊采用液壓拉伸器，其螺柱根徑按下式校核：

(10)

F——螺柱軸向拉力。

依據圖6，選用M64X3螺柱的光桿最細根徑是58 mm,依據上面公式(10)的計算，螺柱滿足強度校核。

3.2 螺柱螺母連接副旋合長度計算及確定選用尺寸

需要的螺柱最小旋合長度：

=30.9 mm

(11)

D1max=60.782 mm;

d2min=62.017 mm;

F=480990 N；

P=3 mm。

需要的螺母最小旋合長度：

=40.7 mm

(12)

dmin=63.315 mm;

D2max=62.081 mm;

F=480990 N;

P=3 mm。

螺柱螺母連接的螺紋副結構尺寸的確定依據(11)和(12)式，螺柱螺母連接的旋合長度應不小于下面(13)式的計算值。

LE=1.1×max{LEb,LEN}

=1.1×40.7=44.8 mm

(13)

注：上式中的1.1是克服液壓拉伸器載荷所需要的螺柱直徑的裕量系數值。

參考液壓拉伸器用高壓設備用螺柱的標準給出螺母的厚度值是76 mm。有效旋合長度為：

LE=76-2x0.5P-2x1.1X3/8P

=76-2x0.5x3-2x1.1x3/8x3=70.5 mm

(14)

70.5>44.8安全。

3.3 螺柱與種植體連接副旋合長度計算及確定選用尺寸

需要的種植體螺紋旋合長度：

=41.7 mm

(15)

dmin=63.315 mm;

D2max=62.081 mm;

F=480990 N;

P=3mm。

螺柱與種植體連接的螺紋副結構尺寸的確定依據(11)和(15)式，螺柱與種植體連接需要的旋合長度應不小于下面(16)式的計算值。

LE=1.1×max{LEb,LEN}

=1.1×41.7=45.9 mm

(16)

注：上式中的1.1是克服液壓拉伸器載荷所需要的螺柱直徑的裕量系數值。

圖6給出的螺柱與種植體連接的旋合深度為105.7 mm(種植螺紋的倒角深度2.8 mm),有效旋合長度為：

LE=105.7-2X0.5P-4.0P=105.7-2X0.5x3-4.0X3=90.7 mm

(17)

90.7>45.9安全。

4 承壓設備中選擇種植體材料的建議

種植體材料應和螺柱材料有適當的匹配，它們兩者材料的強度級別相差不能太多，多少比較合適呢？

看本案3的實例計算結果，一般的螺柱與螺母有效旋合長度是0.8D(D-螺紋副連接的公稱直徑)就足夠了，盡管是滿應力狀態也是安全的；種植體螺紋最大的旋合長度不推薦大于1.5D[4],則有下面的約等式成立：

LEH/LEb≈1.5/0.8=1.875

(18)

LEH——計算需要的種植體旋合長度；

LEb——計算需要的螺柱的旋合長度；

看本案的公式(7)及公式(9)，其旋合長度與其許用應力近似呈線性反比例，因此有下式成立：

(19)

設計者選擇種植體材料時應盡量接近螺柱的材料，兩者材料確定級別差距過大有可能造成有螺紋先行損壞的危險，也可以考慮改變螺柱的材料來實現希望的目的.

5 承壓設備中選配標準螺母的建議

HG/T20592、20615-2009給出了緊固件的選配規定，螺母厚度有近似0.8 D(D-螺母的公稱直徑)和1.0 D兩種；本案建議在容器設備的公稱壓力達6.4 MPa及以上的法蘭連接螺母以及其它結構性連接，當螺柱工況處在滿應力狀態時，選用1.0 D的標準螺母。

GB以及JB標準的法蘭參照HG/T20592-2007即可。

6 結 語

承壓設備中，在確定螺母厚度時盡量選用標準件厚度；在螺柱滿應力工況時選用1.0 D的螺母更有安全裕量；

螺紋副連接的旋合長度內，其軸向抗剪切的力一定要大于螺柱根徑抗軸向拉力；

螺母與種植體材料許用應力的比不大于1.875。

非標準螺紋連接設計可以參考本案方法確定旋合長度。