螺栓螺母紧固原理讲解

没有压紧力
紧固过度
裂纹
法兰转动 颈缩 垫片过度压紧
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螺栓和螺母的作用
在螺栓已经紧固的情况下，部件所承受的工作载荷会降低部件之间的 压紧力
螺栓必须预紧到一个额定的数值以抗衡在部件工作中所承受的所有 载荷
如果工作载荷超过了此数值会导致螺栓失效并造成部件分离
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螺栓和螺母的工作原理
▪ 应用的场合
▪ 对负载的要求 (材料强度)
▪ 安装的方法
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螺母和螺栓的标识
▪ 六角螺母和螺栓的标识
螺母材料等级
螺栓材料等级
螺栓直径
螺母下表面
平整的接触面
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螺母 AF 尺寸
(对边尺寸)
螺栓上表面
刻有型号等标示
螺母和螺栓的标识
生产商
第一个数 =1/100 螺栓材质公称 抗拉强度 100×8 = 800 N/mm2
软式垫片(CNAF)
主要用于较低的压力和温度环境，例如水管、发 动机等
特殊垫片设计
绝缘垫片，能够抗腐蚀。它们大多也能抵御油、气管
道中的杂散电流，增加连接件阴极保护的有效性，减
少电解腐蚀
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螺栓原理
小结:
▪ 螺栓连接的应用并不只限于管道
▪ 螺栓在部件连接面产生压紧力 ▪ 螺栓的工作原理是被拉伸然后回缩
扭矩紧固顺序
▪ 扭矩拧紧形式
使用扳手时: 2 - 3 个螺纹高于螺母上表面
1
1
8
5
1
12
5
8
9
4
34
34
3
10
7
2
6
7
2
6 2 11
重复以上的步骤3次分别使用1/3, 2/3 和 全额扭矩
结束上述步骤后，从1号螺栓开始顺时针对所有螺栓用全额扭矩进行再次的拧紧
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扭矩扳手 – 拆卸
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扭矩紧固
▪ 用扭力扳手施加的力矩会转化成三种力：
1. 拉伸螺栓的作用力 +
2. 克服螺栓螺纹摩ห้องสมุดไป่ตู้的作用力
+ 3. 螺母和连接部件表面摩擦的作用力
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扭矩紧固
50% 螺母支撑面的摩擦力
10%
有用的螺栓残余应力 （极端情况，一般为30%)
40% 螺纹之间的摩擦力
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▪ 在对紧固件进行拧紧时，需知道紧固件的表面涂层
▪ 紧固件表面涂层的种类有很多，如何选择涂层的材料需 要考虑很多因素，其中包括：
▪ 部件的使用工况
▪ 对防腐蚀的要求 ▪ 阴极保护
▪ 装饰作用
▪ 适合安装的方法
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含有垫片的连接
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垫片压紧
包含有垫片的部件安装
压力
螺栓原理
▪ 介绍 ▪ 第一次就正确紧固 ▪ 什么是螺栓连接 ▪ 螺栓和螺母的功能和工作原理 ▪ 有垫片的螺栓连接 ▪ 小结
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连接完整性 – 目标
受控紧固
‘第一次就正确紧固’
安全性
重做的成本 潜在的事故隐患
过度紧固
没有紧固
灾难
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可靠性 排放 / 污染
概述
▪ 什么是螺栓连接？
▪ 螺栓仅在弹性范围内工作。不同材料的螺栓的强度性能会有所区别。
▪ 螺栓应力必须足够大以抵抗部件在使用过程中各种使部件分离的应力，但同时应力也 不能太大而造成连接件的损坏
▪ 压力容器或管道通常需要垫片来防止泄露
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扭矩紧固
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扭矩紧固
▪ 什么是扭矩? 作用力使物体绕着支点转动的趋向
第二个数 =螺栓材质的屈强比值
0.8
公制螺纹
两数相乘得出屈服应力 800*0.8 = 640 N/mm2
螺栓能承载的拉力载荷速算*：面积** X 屈服应力
*准确的数值还需要考虑润滑等其他因素 **面积应为应力截面积， 速算用直径可参考0.85-0.92螺栓标准直径
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螺母和螺栓的标识
扭矩紧固顺序
▪ 应力分散
在施加扭矩时，我们通常是一个接一个的对螺栓进行紧固。这会造成应力分散
我们先拧紧1、2号螺栓，然后是3、4号
在这种情况下，3、4号螺栓会分享1、2号螺栓的部分
应力
1、2号螺栓因此会产生些许的松动，但当连接件
4
是由更多的螺栓进行紧固时，这种分享应力的
情况会被中和减少
1
3 2
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– 标准螺栓/螺柱，标准长度
– 便于操作 – 工具成本较低 – 中空扳手可以应用在安装空间狭小的
位置
缺点
– 紧固件的润滑非常重要 – 耗时
– 垫片的负载不平均
– 扭转应力的产生 – 需要合适的反作用力臂点
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▪ 拆卸
在拧松螺栓时，一般需要比紧固时更高的扭矩 这主要是因为腐蚀；螺纹的形变等，所以在拆卸紧固件时所需要的扭矩一般不能被
完全正确的计算出来
较简单的算法时，在一般情况下拆卸螺栓时最大需要的扭矩是紧固时的250%
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扭矩紧固
▪ 扭矩紧固的优缺点
优点
– 一个扳手+不同的套筒能满足尺寸 不同的螺栓的安装或拆卸需求
扭矩紧固 – 润滑
摩擦点
在螺纹上涂上 润滑剂
在螺母表面使 用润滑剂
仅在螺柱/螺栓紧固部分的尾部
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扭矩紧固 – 润滑
螺栓残余应力 (Tons)
11
使用钼润滑脂
10
mu = 0.1
9
8
7
6
轻型润滑油
5 4
mu = 0.15
3
2
干燥，无润滑
1
mu = 0.2
0
20
40
60
80
100
120
扭矩 - Lb Ft
(施加的力)
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扭矩紧固 – 润滑
举例: ▪ 2.5 英寸 (M64) 的螺栓 ▪ 拧紧螺栓需要194,400 lbf (865kN) ▪ 润滑情况 - 干燥系数= 0.225
▪ 拧紧时所需要的扭矩 11,136 lbs.ft (15.4 kNm)
▪ 二硫化钼润滑剂 - 干燥系数= 0.1 ▪ 拧紧时所需要的扭矩 5,707 lbs.ft (7.37 kNm)
▪ 螺栓作用类似弹簧
由螺栓连接的部件也类似弹簧
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螺栓和螺母的工作原理
▪ 胡克定律
固体材料受力之后，材料中的应力与应变(单位变形量)之间成线性关系
弹性范围
屈服强度
塑性范围 极限抗拉强度
螺栓失效
破坏点
应变
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应力
螺栓材料
▪ 在对紧固件进行拧紧时，了解紧固件材料的强度标准是非常必要的 ▪ 有许多材料可以适合制造紧固件，对材料的选择基本是根据许多不同因素，例如：
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螺栓和螺母的标识
两种常见的螺纹形式:
英制尺寸：3/4-8*3”
米制尺寸: M20-3.5*150
8 TPI
mm (e.g. 3.5)
标准直径
(英寸)
标准直径 (mm)
▪ 螺母的对边尺寸可由下面的公式计算为: (螺栓直径x 1.5) +0.125 例如： 1 1/4” 8UN Bolt (1.25 x 1.5) + 0.125 = 2” A/F
我们通常会想到石油石化管道和法兰，但是…
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概述
任何两个用螺纹连接的部件
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连接部件
和
螺栓和螺母
的
功能和工作原理
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连接部件和工作原理
连接部件
连接部件中间放入垫片
用螺栓使部件连接在一起
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连接部件和工作原理
压力 压力
螺栓被正确紧固
部件之间产生夹紧力
旋转
力
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扭矩紧固
▪ 什么是扭矩紧固?
通过旋转紧固件的螺母部分来对紧固件施加预紧力的应用 紧固件的拉伸 (预紧力)
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扭矩紧固
我们测量施加的扭矩
我们想要测得的是夹紧力
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扭矩紧固
施加的扭矩 减去
摩擦损失
等于
螺栓残余应力 *
• 螺栓残余应力 = 预紧力 螺栓在紧固后剩余的应力
A/F = 对边尺寸
对于 M33 到 M85 的米制尺寸螺栓
螺母的A/F 尺寸 每次增加 5mm :
▪ M33 x 3.5
50mm A/F
▪ M36 x 4
55mm A/F
▪ M39 x 4
60mm A/F
小于M33 的螺栓 A/F 尺寸大约可计算为： 1.5 x 螺栓直径
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螺栓的涂层
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扭矩紧固顺序
▪ 负载集中（偏载） 当在施加扭矩时，我们通常是一个接一个的对螺栓进行紧固。在这种情况下会产生负 载集中。
为了避免这种情况，我们需要采用特定的步骤来对螺 栓进行紧固，即使用设定的扭矩分阶段、用特定的模 式对螺栓进行紧固。 对螺栓施加渐进的、统一的扭矩。
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压力
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螺栓被正确紧固
部件之间产生夹紧力
垫片被压紧，
并在连接件之间起到
密封效果
垫片种类
常用垫片种类
金属缠绕垫片(SWG)
广泛应用于高温、高压的环境，不同的设计、金 属和非金属材料的组合能使之应用于多种不同场 合，抗腐蚀、抗有毒物质能力较强 .
环状金属垫片(RTJ)
最初应用于石油石化行业，适用于高温、高压的应用， 例如石油挖掘开采、阀、管道、高压反应容器
垫片被压紧，
并在连接件之间起到
密封效果
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使连接件分离的作用力
除了内部的载荷，连接件可能会承受更多的分离载荷，它们包括但也不 局限于：
• 振动 • 温度的循环作用 • 侧向应力(风力, 流量, 压力等等)
• 负载的改变
例如: 当一驾吊车在起吊重物时, 在物体刚离地 和在半空
中承受的负载时不一样的
因此螺栓必须被正确的紧固到正确扭矩以承受会使连接件分 离的附加的作用力
振动
压力
+/- oC
压力
侧向应力
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螺栓和螺母的作用
定义: 螺栓和螺母的主要作用在于将两件构件用准确的作用力连接在一
起，以防止在设备运行的过程中出现松动的现象。
紧固不足
螺栓由于振动 或循环载荷而松脱
垫片接触面损坏