对乙烯产品汽化器法兰连接螺栓预紧力及力矩的分析计算

姚印树

中石化股份天津分公司烯烃部，天津 300270

0 引言

某石化厂分离单元乙烯产品输出汽化器EA423 为U 型管式换热器，其中管侧是通过中间罐区的乙烯外送泵输送过来的乙烯产品，壳侧为低压蒸汽，低压蒸汽将液相乙烯加热气化后输送到下游界区的气相乙烯用户。

由于管壳两侧介质温差将近180℃，温差应力较大，对设备法兰、垫片密封处提出了较高的要求，该换热器先后出现过介质从设备法兰、垫片密封处发生泄漏，给装置的稳定运行，及安全生产造成很大的影响。从EA423 泄漏后拆卸的情况初步分析，预紧螺栓时上紧螺栓预紧力不合适及操作不当，造成垫片压偏、压损，垫片回弹性能变差，最终导致了垫片密封的泄漏。下面就实际施工过程中螺栓预紧力进行简要计算分析。

1 螺栓预紧力及预紧力矩的计算分析

螺栓连接的法兰接头是一种应用极为广泛的结构，它属于强制密封，依靠连接件通过被连接件强制挤压密封元件使之密封。这种连接方式结构简单，上紧螺母后，螺栓力通过法兰压紧面作用到垫圈上，当垫圈单位面积上所受的压紧力达到某一值时，垫圈本身被压实，压紧面上由机械加工形成的微隙被填满，为阻止介质泄漏形成了初始密封条件。这个施加给螺栓保证密封完好，不发生泄漏的力称为预紧力。预紧力是影响密封的重要因素。适当的预紧力可保证垫片在工作时还可保留一定的密封比压，预紧力过大则会把垫片压坏或挤出。该换热器依据ASME 规范标准设计制造，法兰螺栓连接部分的计算方法采用“华特斯”方法，近似于GB150法兰连接章节中对螺栓载荷的计算。该换热器详细参数如表1。

表1

1.1 根据GB150-1998，计算螺栓载荷

1）在预紧状态下需要的最小螺栓载荷

每个螺栓上的载荷：Wa/40=46kN

式中Wa为预紧状态下，需要的最小螺栓载荷

FG为预紧状态下需要的最小的垫片压紧力

DG为垫片压紧力作用中心圆直径（详见GB150）

b 为垫片有效密封宽度

y 为垫片比压力

2）操作状态下需要的最小螺栓载荷WP包含两部分，一部分是平衡内压产生的轴向力一部分是确保垫片密封所需的压紧力FP=2πDGbm PC，即操作状态下所需螺栓最小载荷

每个螺栓上的载荷： WP/40=77kN

式中WP为操作状态下需要的最小螺栓载荷F 为流体压力引起的总轴向力

FP为操作状态下需要的最小的垫片压紧力m 为垫片系数PC为计算压力

DG、b 定义同上。

由以上公式可以看出预紧状态下螺栓所受的力Wa= FG，只是预紧状态下需要的最小垫片压紧力，并非所说的预紧力。因为m值和y 值都是垫片本身特有的数值，其值因垫片的形状、材质等不同而异。所以FG本身与操作状态无关。而在实际操作工况中需要的预紧力是要在满足操作时不泄漏，也就是要螺栓能保证在操作时螺栓的荷载保持在WP值的预紧力下。

1.2 预紧力的计算

图1

正确的预紧力的计算方法，需综合考虑法兰连接点的螺栓、垫片材料，连接状态、操作状态等各种因素的影响进行分析计算来确定。图1 为从预紧状态到操作状态的变化情况。

设螺栓在受力时，其力与伸长关系如斜线DB。B 点是由操作状态下的螺栓载荷Wp 决定的，此时螺栓伸长值为DG。设垫片在受力时，其力与压缩关系如斜线FC ，C 点是由操作状态下的垫片载荷Fp 决定的，此时垫片的压缩值为FG。将FC 延长与DB 交于A 点，在A 点时，螺栓与垫片载荷相等为f ，此时螺栓伸长值为DE ，垫片压缩值FE ，A 点即预紧时的状态，f 即所需的预紧力。这示意图说明，由预紧状态变为操作状态，随着内压引起的轴向力F的增加，螺栓载荷在f 基础上有所增加，垫片载荷在f 基础上有所减小。如果不考虑在升压过程中垫片受压变化的影响，螺栓载荷本应为f + F，但由于垫片受到的压缩力减少而松（回弹） ，压缩垫片所需的螺栓载荷只为Fp，再加上内压引起的轴向力F ，就组成操作状态的螺栓载荷Wp。f 与Fp的差值ΔF 即为垫片松弛时所减少的受力值。因此可以看出：预紧力f 即不是Wp+ F ，也不是螺栓材料的屈服极限或许用应力，而是一种考虑了内压作用和垫片在升压过程中松弛的综合结果。

由前面的分析看出，只要算出由内压PC作用引起的垫片松弛所减少的压紧力ΔF ，就可以用它和Fp求得预紧力f 。操作时，流体静压总轴向力F 作用于法兰连接点，使螺栓相应伸长ΔLb，此时，垫片由于螺栓伸长而松弛(回弹) ，变形值为ΔLG，由于垫片回弹变形值应与螺栓伸长值相协调，故ΔLG=ΔLb

根据虎克定律：

垫片回弹值:ΔLG=ΔFtg/ EgAg

螺栓伸长值:ΔLb= ( F - ΔF) lb/ EbAb

式中Eb为螺栓材料在操作温度下的弹性模量（MPa）；

Eg为垫片材料在操作温度下的弹性模量（MPa）；

Ab为螺栓总截面积（mm2）；

Ag为垫片实际接触面积（mm2）；

lb为螺栓计算长度（mm）；

tg为垫片计算厚度（mm）。

根据图2 ，预紧力f = FP+ΔF=0.575×106+2.48×106= 3.055×106N

每个螺栓上的预紧力：f/40=76.4KN

SA320.L7 材料的屈服强度σs=725MPa

即σ＜σs，材料强度满足要求。

1.3 预紧力矩的计算

T = KWd =0.15×3.055×106×0.02773=12707 NM

式中K- 螺栓与螺母间的摩擦系数;

W -取Wa及f 中的较大值（N）;

d- 螺纹中径（m）。

2 结论

根据计算的上紧螺栓力矩值，对法兰连接螺栓使用液压工具进行精确的扭矩上紧操作，并严格控制施工上紧螺栓顺序。经过运行实践证明，法兰垫片密封处密封较好，未再发生泄漏情况。

计算出预紧力矩后，则可在法兰连接装配时有目的地上紧螺栓，避免发生泄漏时，不去分析其它原因，单纯认为是上得不紧而多次上紧，结果造成螺栓受力过大而失效。同时应该看到，并不是确定了预紧力矩就一定可以保证法兰连接点在试压或操作中不泄露。因为上述计算是从理想的条件出发的。在实际连接中，影响上紧力矩的因素很多，如螺栓、螺母的制造质量、法兰刚度、螺母与螺栓及法兰接触面的润滑情况、操作条件、螺栓上紧顺序等，尤其是垫片的材质、加工质量影响最大。因此，要在对其理论的计算和特性分析后，结合实际条件，将影响泄漏的因素考虑在内，才会有效的分析和避免在法兰连接中的泄漏问题。