压力容器法兰联接拧紧螺栓力矩的计算

b—法兰的计算宽度 mm y—初始密封比压 MPa m—法兰垫子系数 p—介质工作压力 MPa 2 最终预紧力的确定 设备在操作条件下，螺栓要受到两个力的作用即： 介质压力： P=
1 π D2mP 4
N
工作时法兰垫子压紧力：F2=2π Dmbmp N 故在在正常操作时螺栓所受的压力为：F=P+ F2 这时要和前面计算的预紧力 F1 进行比较取最大者作为最终预紧力 F。 2 拧紧螺栓力矩计算 螺栓在拧紧的过程中，要克服两方面的力矩，即： 螺栓和螺母螺纹之间的力矩 M1 螺母和法兰或垫片之间的摩擦力矩 M2 拧紧螺栓的预紧力矩 M 至少为： M=M1+M2 钢制普通粗牙螺纹 M10～68mm 其经验公式为： M=0.2dF （3—5） 每条螺栓的预紧力钜为：M/n M —预紧力钜， d —螺纹大直径 mm n —螺栓个数 3 螺栓强度的核算 法兰垫子预紧力和预紧力钜确定以后，要核算螺栓强度，避免因力矩过答大造成螺 栓损坏。应力计算及强度条件如下： F=
压力容器法兰联接拧紧螺栓力矩的计算
顾明 （中油宁夏炼化公司）
摘要：对法兰密封进行分析，计算法兰垫子所需的预紧力，进而用力矩和螺栓预紧力之 间的关系，计算拧紧螺栓需要的力矩，用力矩来控制预紧力。从而实现法兰联接的可靠性、 密封性、和放松性。 关键词：法兰联接 密封 密封比压 预紧力 预紧力矩 力矩扳手 一 概述 化工设备中，由于法兰联接拆卸方便，便于安装维修，大量采用了法兰螺栓联接。特别 是压力容器人孔、封头、管箱、管道等都采用了法兰螺栓联接。在设备检修中，法兰密封检 修的工作量占有很大比重。 法兰螺栓联接的关键是必须保证密封不泄漏， 要保证密封的可靠 性，必须预先对密封垫施加一个合适的预紧力，使得密封垫片产生内应力既预紧密封比压。 当设备投入运行后， 在温度、 介质压力变化的情况下， 仍能达到密封的效果。 在实际检修中， 预紧力我们不易控制，但是我们可以控制力矩，从而达到调控预紧力。近年来，现场检修大 力推行检修作业规程，其内容大部分来自借鉴，缺乏针对性。其中换热器的检修规程，要求 安装前后管箱及内浮头时，要给定力矩来拧紧螺栓。对于不重要的螺栓可以凭感觉、经验拧 紧螺栓。因此我们要解决两个问题： 1 拧紧力矩的计算，用力矩扳手控制力矩。 2 螺栓强度的核算，防止螺栓因预紧力过大而损坏。 二 问题的提出 在现实工作中，我们不难看到安装或检修人员，汗流浃背挥舞着大锤敲击扳手，努 力拧紧压力容器或管道法兰螺栓。究其原因主要是心中无数，认为螺栓越紧密封就越可靠。 这往往是造成野蛮不文明检修的主要原因，致使法兰密封失效，主要有以下情况发生： 1 法兰垫子受力不均匀。 2 法兰垫子被压坏。 3 预紧力过大，法兰翘曲变形。 4 螺栓变形。 5 法兰垫子失去弹性变形，无回弹力。 为了实现法兰密封有效性，对于重要的压力容器法兰联接，必须根据操作条件即压力、 温度、介质合理选择密封垫片，按照安装程序规范操作，防止上述现象的发生。 三 法兰密封的分析 法兰密封是组合件，有法兰、法兰垫子、螺栓组成。要保证密封不泄漏，必须保证合适 的预紧力。法兰垫子被压实后产生弹性变形，达到初始密封比压。当设备投入运行后，因工 作压力、温度变化各部件发生变形，产生螺栓松弛，法兰垫子回弹，达到操作密封比压，实 现密封。 这就要求螺栓的预紧力和工作中的压紧力， 必须根据法兰垫子初始密封比压和工作 密封比压来确定。 如果只从螺栓强度来确定预紧力， 会造成法兰垫子压紧力过大而失去弹性。 1 法兰垫子受力情况 在现场安装或检修中，密封各组件几何尺寸和法兰性能参数（m、y）已给定，是已知 条件。 工作前法兰垫子预紧力：F1=π Dmby (3—1) 工作时法兰垫子压紧力：F2=2π Dmbmp N (3—2) 法兰垫工作密封比压：σ t=mp MPa （3—3） Dm —法兰垫子平均直径 mm
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在实际工作中，有相当一部份垫子都是自己制作，没有试验条件无法取得 m、y。只能 参照同种材料的垫子选取 m、y，进行计算预紧力和预紧力力矩。 当压力容器工作时，随着介质压力、温度的变化。密封各部件发生热变形，特别是螺栓 热膨胀伸长，使得螺栓松弛。法兰垫子应力降低，当剩余应力小于工作密封比压σ t，这时 密封失效发生泄漏。只有当垫子剩余应力不小于工作密封应力时，垫子发生回弹自动密封， 才能保证密封有效。为了确保工作密封比压，当介质温度达到工艺操作温度时，有必要对螺 栓进行拧紧检查，保证垫子应力不小于工作密封应力。同时要记录力矩数据，把核定的力矩 作为以后检修的预紧力矩。 五 结束语 通过上述对压力容器法兰联接螺栓预紧力矩的分析计算及校正，在实际检修中分多次 对角拧紧法兰螺栓，最终达到调整的力矩。更重要的是通过使用力矩扳手来控制力矩，使法 兰上的每个螺栓拧紧力矩相同，法兰垫子受力均匀。通过这种方法，经过实践总结，把拧紧 螺栓力矩，补充到检修规程中，在检修中更具针对性。使之成为检修标准。这也是压力容器 （特别是换热器）检修规程所要求的内容。 参考文献:化工机械设计基础，高等教育出版社。 机械设计基础，高等教育出版社。 作者联系地址：宁夏炼化公司机修车间
4F d2 π nσ 1 →σ = ≤ π nd 2 4
m
t σ b
MPa
d — 螺栓小径
t σ b —在工作温度下的许用应力
Mpa
t
通过上述螺栓强度核算，如果计算应力σ ≤ σ b ，预紧力是合适的，预紧力钜可行。 否则就需要调整垫子或者更换螺栓，选用强度高的螺栓。保证螺栓不被损坏。 四 预紧力的控制方法 1 预紧力控制 根据预紧力 F 和力矩 M 之间的关系，即 M=0.2Fd.。我们可以通过力矩来控制法兰垫子 预紧压紧力。常用力矩扳手控制力矩，施加在力矩扳手上的力矩就是拧紧螺栓需要的力矩， 实现这个力矩的力就是预紧力，这时法兰垫子产生初始预紧密封比压。 用力矩扳手控制拧紧力矩时，用测力矩扳手和定力矩扳手。有手动、电动、液压、风 动力矩扳手。有的力矩扳手给出了力矩和预紧力之间的关系，使用中可以根据计算预紧力 F 计算预紧力矩 。使用力矩扳手必需按照说明书要求进行操作。 2 预紧力钜的校正 上述计算过程是依据法兰垫子性能参数 m、y,即垫圈系数和预紧密封比压来计算的。正 规的厂家出厂时都给定了这两个参数，可以参照使用。