螺栓拧紧方法及预紧力控制

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 。 Kt 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 。
(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
ΔL 1
=
NL EA L
(3)
2005 年第 3 期
式中 :ΔL1 ———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/ mm2 ;
力 F0 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
A L ———螺栓截面积 ,mm2 。 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 F0 , 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 :
参考文献
[ 1 ] 徐灏. 机械设计手册 ( 3 ) [ M ] . 北京 : 机械工业出版社 ,1991 : 21244246
[ 2 ] 王素芬. 对螺栓拧紧方法的探讨. 安装[J ] . 1997 (6) :123 [ 3 ] 吴凤和 ,袁荣娟. 大直径螺栓的液压拉伸预紧. 重型机械 [J ] .
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 。
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
p = ΔL A L E =εk E
(4)
L AH
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
螺栓伸长量与预紧力的关系为
Q0
=
ΔL
L
EA s
(2)
式中 : L ———螺栓长度 ,mm ;
ΔL ———螺栓变形伸长量 ,mm ;
E ———弹性模数 ,M Pa ;
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
3 举例
已知某台设备的法兰用螺栓直径为 M64 ,有效 面积 27 . 96 cm2 ,有效拉伸长度为 320 mm ,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 480 kN 。液 压拉 伸器 油缸 活 塞 面 积 为 86 . 45 cm2 。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 Kt = 0. 2得 M = 6144 N ·m ;取预留伸长量δ为0. 2ΔL1 , 由(3) 和(4) 两式计算得到油压 p = 66. 63MPa 。
(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 ×103 N ·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 . 51 kN ·m 的力矩 ,最大可达 136 kN ·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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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 。
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 。
[ 关键词 ] 螺栓 ; 预紧力 ; 拧紧 ; 法兰连接
பைடு நூலகம்
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
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 = Kt Q0 d ×10 - 3 N ·m
式中 : Q0 ———预紧力 ,N ; Kt ———计算系数 ; d ———螺栓的公称直径 ,mm 。
Q0
=
Kt d
M
×10 - 3
N
(1)
系数 Kt 与螺纹表面及法兰的光洁度 、润滑状
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 ] 。
(1) 控制精度
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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 %。
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
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 。
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
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
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化 工 设 备 与 管 道
第 42 卷
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 %。