螺栓拧紧方法及预紧力控制

化　工　设　备　与　管　道第42卷
螺栓拧紧方法及预紧力控制
初泰安
(扬子石油化工公司芳烃厂,南京　210048)
[摘要]　石化、炼油企业装置上的静密封结构以螺栓法兰垫片连接系统为主,检修期间螺栓拧紧方法的选择和预紧力的正确控制对保证装置的安全运行至关重要。

本文介绍了实际生产中常用的扭矩法、螺母转角法和液压拉伸法的基本原理,并给出了各种预紧力的控制方法及其所能达到的精度,对安装和维修有一定的指导意义。

[关键词]　螺栓;　预紧力;　拧紧;　法兰连接
螺栓法兰连接在化工装置中广为应用。

为了保
证法兰连接系统紧密不漏、安全可靠地长周期运行,
垫片表面必须有足够的密封比压,特别在高温工况
下垫片会产生老化、蠕变松弛,法兰和螺栓产生热变
形,高温连接系统的密封比常温困难得多,此时螺栓
预紧力的施加与控制就显得十分重要,过大或过小
的预紧力都会对密封产生不利影响。

螺栓预紧力过
大,密封垫片会被压死而失去弹性,甚至会将螺栓拧
断;过小的螺栓预紧力又使受压后垫片表面的残余
压紧应力达不到工作密封比压,从而导致连接系统
泄漏。

因此如何控制螺栓预紧力是生产实际中必须
重视的问题。

1　螺栓拧紧方法
1.1扭矩拧紧法
扭矩拧紧法[1、2]是最常用的螺栓拧紧方法,通
过扭矩扳手显示的扭矩值来控制被连接件的预紧
力,操作简单、直观。

拧紧螺栓时的拧紧力矩:
M=K t Q0d×10-3N m
式中:Q0———预紧力,N;
K t———计算系数;
d———螺栓的公称直径,m m。

Q0=M
K t d×10-3
N(1)系数K t与螺纹表面及法兰的光洁度、润滑状况、拧紧速度、所用拧紧工具、以及反复拧紧时的温度变化等有关,通常在0.1～0.3之间变化。

K t的变化将导致预紧力Q0也发生较大变化,变化范围大约在40%左右。

所以,如采用扭矩法拧紧螺栓,其计算载荷需要1.3倍最大工作载荷,这必然会造成螺栓直径增大,或数量增加,或提高材质。

这对简化结构、降低成本,减轻其重量都是不利的。

1.2旋转角度拧紧法
螺母(或螺栓)拧紧时的旋转角度与螺栓伸长量和被拧紧件松动量的总和大致成比例关系,因而可采用按规定旋转角度来达到预定预紧力的方法。

在最初拧紧时,先要确定极限扭矩(即实现连接密封所需的扭矩),把螺栓一直拧到极限扭矩,再转过一个预定的角度,此即为旋转角度拧紧法[1、2]。

螺栓伸长量与预紧力的关系为
Q0=
ΔL
L
E A s(2)式中:L　———螺栓长度,mm;
ΔL———螺栓变形伸长量,m m;
E———弹性模数,MPa;
A s———螺栓的平均截面积,mm2。

由于在弹性区域内ΔL正比于螺栓的回转角度θ,所以Q0为θ的函数,只要准确控制螺栓回转角度,便可准确控制预紧力。

由于旋转角度拧紧法可使螺栓预紧力分散度减小,故平均螺栓预紧力可达到屈服极限的70～80%,这既提高了材料的利用率,也比较可靠。

1.3液压拉伸预紧法
(1)原理
液压拉伸预紧技术[3]是利用液压拉伸器完成螺栓的预紧工作。

为了使螺栓的预紧力均匀,满足密封要求,必须确保每个螺栓的伸长量均在计算允许的范围内,若某个螺栓的伸长量超差,则需进行调整拉伸操作。

(2)螺栓伸长量计算
在螺栓材料的弹性范围内,螺栓伸长量与所施加的轴向载荷成正比,其计算公式为
ΔL1=N L
E A L
(3)
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2005年第3期
式中:ΔL 1———螺栓拉伸后的伸长量,mm ;
N ———螺栓所承受的载荷,N ;L ———螺栓工作状态下的有效长度,mm ;
E ———螺栓材料的弹性模量,N /m m 2
;A L ———螺栓截面积,mm 2。

实际计算中,还要考虑一定的余量,所以螺栓的预紧拉伸伸长量ΔL 为:
ΔL =ΔL 1+δ
式中:δ为预留的伸长量,mm 。

(3)液压缸油压确定
若螺栓预紧力为F 0,油泵的油压为p ,液压缸活塞的面积为A H ,螺栓工作状态下的有效长度为L ,当螺栓应力低于弹性极限时,则:
p =ΔL L A L
A H E =εk E (4)
式中ε=ΔL /L 为螺栓的相对伸长量;k =A L /A H 为螺栓截面积与活塞截面积的比值。

由公式(4)可知,液压缸的油压p 仅与螺栓的相对伸长量ε、螺栓与活塞截面积的比值k 以及材料的弹性模量E 有关。

对于给定的螺栓,液压缸的油压p 与相对伸长量ε成正比。

因此,螺栓的预紧力F 0可以通过控制液压缸的油压p 而精确得到。

p 与ε的关系如图1所示。

由图1可知,当施加在螺栓上的拉伸力超过螺栓的弹性极限时,即螺栓的相对伸长量大于弹性伸长量εe 时,拉伸曲线不再是直线,这时螺栓的变形也不再是弹性变形。

因此,在进行拉伸时,如果液压缸的压力过大,就会使螺栓的拉伸变形超过弹性范围,对螺栓造成损害。

为此,必须根据公式(4)确定合理的油压p。

图1　油压p 与相对伸长量ε的关系
2　螺栓预紧力的控制
螺栓的预紧力关系到法兰连接系统的紧密性和可靠性,所以在现场安装设备或管道时往往需要知道并能控制螺栓预紧力的大小。

2.1通过拧紧力矩控制预紧力
(1)控制精度
拧紧力矩与螺栓预紧力呈线性关系,控制了拧紧力矩的大小,就可通过实验或理论的方法计算出预紧力值。

由于受摩擦系数和几何参数偏差的影响,在一定的拧紧力矩下,预紧力数值的离散性比较大,因此,通过拧紧力矩来控制螺栓预紧力的控制精度不高,其误差约为±25%,最大可达±40%。

(2)拧紧工具
所使用的拧紧工具应该能测量或控制力矩。

按螺栓直径规定扳手长度的呆扳手是最简单的能在一定程度上控制拧紧力矩的扳拧工具。

相对来说,使用较方便的活动扳手就无法控制拧紧力矩。

控制拧紧力矩精度较高的工具是测力矩扳手和限力矩扳手。

测力矩扳手有多种,拧紧力矩可从7×10-3
N m 到1.3×103N m ,力矩读数精度为±20%到±2%。

实际工作中,操作人员的技术不良和粗心大意等常常抵消了扳手的测量精度,所以,出现了装有较好指示器、预选力矩装置、灯光和音响信号提示等附属装置的测力矩扳手。

最新的测力矩扳手装有电子测量系统和数字显示装置。

大尺寸的螺栓需要大的预紧力,此时可采用力矩倍增器,它靠齿轮箱增大力矩,通常齿轮传动比为4∶1或10∶1,最多达100∶1。

由于齿轮传动中的摩擦损失,力矩倍增器的精度低于一般力矩扳手,最大力矩可达112.5kN m 。

力矩倍增器与力矩扳手组合起来构成大力矩扳手。

用液体压力推动活塞,驱动带短而粗之棘爪的棘轮机构,使其在小的空间产生大的力矩,这种扳手称为液力力矩扳手。

其通常可产生1.3～6.51kN m 的力矩,最大可达136kN m ,力矩读数精度为±2～±10%。

气动力矩扳手是一种大型冲击扳手,可以产生很大的力矩,但是精度比较低。

若把力矩倍增器、力矩扳手和气动涡轮组合起来,则可在中等速度下产生大的力矩。

这种工具可产生65.5kN m 的力矩。

2.2通过螺母转角控制预紧力
根据需要的预紧力计算出螺母转角,拧紧时量出螺母转角就可达到控制预紧力的目的。

测量螺母转角最简单的是刻一条零线,按螺母转几方来测量螺母转角。

螺母转角的测量精度可控制在10°～15°内。

由于接触变形,螺母与法兰支承面完全接触的开始位置较难确定,加之被连接件(法兰和垫片)的
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刚度计算较为复杂、螺栓出现扭转变形、几何尺寸误差等因素,通过螺母转角控制预紧力会出现误差。

一般说来,预紧力的误差大约在±15%,其精度高于通过拧紧力矩控制预紧力的精度。

2.3通过螺栓伸长量控制预紧力
因为螺栓的伸长量只和螺栓的应力有关,可以排除摩擦系数、接触变形、被连接件变形等可变因素的影响。

所以,通过螺栓伸长量控制预紧力可以获得最高的控制精度,它被广泛用作重要场合螺栓法兰连接的预紧力控制方法。

若测量正确,其预紧力的误差约为±5%。

研制一特定结构、能精确测量位移的机构,保证使仪器(或量具)接近螺栓两端面,便可直接测量拧紧前后螺栓的长度。

螺栓的两端面是测量面,需磨成光滑的平面,或加工出锥形中心孔。

这种方法最适用于精确控制螺栓预紧力。

对于螺柱连接,无法直接测量其伸长量。

此时,可从螺柱端部沿螺柱轴线打一长孔,将一细杆插人孔中,压在孔底,并使杆的端部刚好与螺柱端部取平。

预紧后,可用深度千分尺测量螺栓伸长量。

2.4使用液压拉紧器控制预紧力
使用液压拉紧器给螺栓施加拉力,使之伸长,然后轻轻旋紧螺母,待撤去拉力之后,由于螺栓收缩就可在连接中产生和拉力相等之预紧力。

这样的预紧方式可以提高预紧力的控制精度。

液压拉紧器给螺栓施加预紧力时没有摩擦力,故该方法适用于任何尺寸的螺栓,而且可以给一组螺栓同时施加预紧力,均匀压紧法兰和垫片,不致出现倾斜、翘曲而影响预紧力的精确控制。

此外,由于螺旋副没有摩擦力矩,螺栓不受剪切应力,因此螺栓具有更高的承受轴向拉力的能力。

由于螺栓旋合螺纹、垫圈、法兰支承面都是在撤去拉紧器后首次承受载荷,所以这样拧紧的螺栓法兰连接有较大的松弛量。

2.5按拧紧力矩与螺母转角关系控制预紧力
利用拧紧力矩与转角的关系控制预紧力就是先给紧固件施以一定的力矩,然后使螺母转过一定的角度,检查最后的力矩与转角是否满足应有关系,以避免预紧不足或预紧过度。

通过试验,可得到拧紧力矩和螺母实际转角之间的关系曲线[4],如图2所示。

在曲线开始的一段,由于零件几何形状的误差,拧紧力矩与螺母转角呈
非线性关系,在最后一段,由于零件变形超过弹性变
形区域,拧紧力矩与螺母转角也呈非线性关系。

理论公式只是曲线中段线性区间的描述。

图2　拧紧力矩与螺母转角曲线
控制预紧力的力矩转角法为:首先用拧紧力矩控制拧紧过程,直到拧紧力矩值达到足以保证螺母、螺栓和被连接件真正贴紧为止,这时方能开始测量螺母转角,然后用螺母转角和拧紧力矩同时控制拧紧过程。

这种控制方法的优点是:利用拧紧力矩和螺母转角给出的信息,可精确控制螺栓的预紧过程和预紧力,并能发现安装过程中可能出现的拧紧不足或拧紧过度现象,这无论是单独用力矩控制还是单独用转角控制都是无法实现的。

3　举例
已知某台设备的法兰用螺栓直径为M 64,有效面积27.96cm 2,有效拉伸长度为320mm ,材料弹性
模量为2.1×105
M Pa ,满足密封要求的预紧力设计值为480kN 。

液压拉伸器油缸活塞面积为86.45cm 2。

计算用扭矩扳手施加此螺栓力所需的扭矩和用液压拉伸器拧紧螺栓所需的油压大小。

由(1)式取K t =0.2得M =6144N m ;取预留伸长量δ为0.2ΔL 1,由(3)和(4)两式计算得到油压p =66.63MPa 。

参考文献
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21-44-46
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1995:102-139
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Vo l.42No.3
A bstract
A New High Pressure Sealing Structure
Connected by D-shape Bolts
Zhang Yunxiao,Chen Ping,Qian Caifu
Beijing University of Chemical Technology
Beijing,100029
In this pape r,a new high pressure sealing structure co nnected by D-shape bolts w as compared with the traditional sealing structur es,such as double-cone seal and Cachaly seal,in as-pects of structure,manufactur e,reliability and weight.Being co mpact in str ucture,light in weight,simple in manufacture, reliable in seal and ea sy in assembly and disassembly,this new structur e co nnected by D-shape Bolts is an ideal hig h-pressure sealing structur e for hig h-pressure vessels and piping,e spe-cially fo r those w hich need to be frequently assembled and dis-assembled.
Keywords:D-sha pe bolts,double-cone seal,Cacha ly seal, high pressure vessels
Bolt Tightening Metho ds and Preloa d Control
Chu Taian
Aromatics Plant,Y angzi Petrochemical C orp.Ltd.
Nanjing,210048
Bolted flang ed jo ints a re the main static seal st ructures used in equipment in petro chemical industry.D uring the maintenance, the selected bo lt tig htening method and accur ate preload con-trol are ve ry impor tant to the safety of equipment in ser vice. T his paper deals with the principle of bolt tig htening meth-o ds,such a s to rque,ro ta tion ang le and hy draulic stre tch. So me preload contro l means a nd their precisio n we re dis-cussed.
Keywords:bo lt,tig htening me tho d,prelo ad,flanged joint
Design and Calculation of Helix Separator
Wang Zhiya
Shanghai Coking&Chemical Design Institute
Shanghai,200241
Based on the classical hydro dy namics theo ry,in this pape r, the pro pe rties of g as flow a nd so lid separ atio n process in helix separa to r w ere analy zed.A series of equatio ns fo r designing helix separ ator w ere,then,deduced.Finally,an example w as used to indicate the calculation pro cess.
Keywords:helix separa tor,de sig n and calculatio n,sepa rating efficiency
Design of Tank Shape Container for PTA
Li Mingxi
Chemical Machinery Works,Nanj ing Chemical
Industrial Co.,SINOPEC
Nanjing,210048
In this a rticle,the st ructure features of20’tank co ntaine r for PT A w ere introduced,and the requirements for design,struc-ture,test and inspection of this kind of co ntainer wer e also presented.Keywords:tank shape co ntainer,desig n,structur e feature, testing requirement
Stress Analysis and Structure Assessment of LPG Truck Tank
Guo Chongzhi,Wang Youhong
South China University of Science and Technology
Guangzhou,510640
T hro ug h establishing compute r simulation model,integ ration stress analysis of a la rge L PG tr unk tank w as car ried out by u-sing finite element metho d,so tha t the stress distribution in key loca tion w as obtained.A ccor ding to the analy sis result and the assessment of the influence of lo cal st ructure to the in-tegrity cha racteristics o f the truck,several pro po sals we re presented.
Keywords:L PG tank truck,structur al design,stress a naly-sis,de sign assessment
Res earch of New Manufacture Process fo r Large Spheroidal T a nk
Shi Youmin
Second Construction Company of C NPC
Lanzhou,730060
Chen Weijun,Liu Xuewu
R&D Institute of Fluid and Powder,Dalian
University of Technology
Dalian,116012
In this article,with the sample o f4000m3larg e sphe roidal tank,a new technique witho ut the use o f po sitioner and center pole in assembling la rge sphe roidal tank was intro duced. T hro ug h using this technolo gy,the installa tion quality of spe-roidal tank can be guaranteed,the co st o f making po sitio ner and center pole w as sav ed.T his technique can be refe rred la tely in the same project.
Keywords:la rge sphe roidal tank,without positioner,without center po le,assembly
Application of Spiral Plate Heat Exchanger in
Pro duction of Potassium Nitrate
Zhang Yifu,Shen Huanghong
Departm ent of Chemistry and Chemical Engineering
Hunan Science and Engineering University
Yueyang,414000
Zhang Gong
Yueyang Sylvite Science Institute
Yueyang,414000
In the pr oductio n o f po tassium nitrate by using the me tho d o f decom po sing ammonia nitr ate and po ta ssium chloride in cy cle, based on the char acte ristics of the so lutio n,spiral plate heat exchanger was applied to the process of co oling a nd cry stalli-zing po ta ssium nitrate so lutio n.T his ex change r has the adva n-tages of resisting foul,hig h film coefficient,lo w ene rgy co n-sumptio n,hig h production ability,small volume and co nve n-ience in o per ation.
Keywords:spiral plate hea t exchang er,pro ductio n o f potassi-um nitrate,coo ling and cry stallizing pro ce ss
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