关于螺栓扭矩计算工况及提高倍数的讨论

2021-01-10陈诗清

化工设备与管道 2020年5期

陈诗清

（无锡化工装备股份有限公司，江苏无锡 214124）

法兰的密封是一个复杂的过程，影响密封因素有很多。涉及法兰、垫片、紧固件、密封面的平整度等[1]，其中还包括螺栓上紧。然而近些年常常出现水压时由于螺栓上紧问题而出现泄漏的情况，这个问题也时常会造成一定的经济损失和项目进度的延迟，出现的情况有两种：

（1）图纸上没有相关的螺栓扭矩值，此种情况，螺栓的上紧具有一定盲目性，对于小直径的螺栓，有可能会出现上紧过载，造成螺栓和垫片损坏，从而出现泄漏，存在安全隐患。而当螺栓直径过大时，一般的上紧工具可能无法上紧螺栓，造成水压时出现泄漏。

（2）图纸上有相关的螺栓扭矩值。此种情况，往往客户要求实际操作时必须按图纸上的扭矩值进行操作，通常水压试验时也会出现泄漏情况。此时，即使出现泄漏，客户一般都不允许继续拧紧，会找工程师继续核算。但常常会查不出任何数据上的问题。

通常情况下，GB 的设计常常借鉴ASME 作为指导螺栓扭矩的计算和螺栓的上紧，但在借鉴的过程中有某些条件不具体，如最后决定螺栓扭矩值的工况是水压工况，水压试验螺栓扭矩没有基于操作或预紧工况再相应提高一定的倍数，最后导致计算上存在一些问题。本文将进行详细的论述，解决这些问题。

1 螺栓扭矩计算方法

关于螺栓扭矩的计算，目前国内的压力容器设计标准中没有提供相关的指导和规定。通常在设计过程中引用ASME VIII-1 和ASME PCC-1 中的计算方法和要求。

螺栓扭矩计算公式有两种表达方式：

式中，Fa取W1和W2较大值。

2 螺栓扭矩提高倍数K1的推导

2.1 影响因素分析

从式（2）可以看出直接影响扭矩计算值的因素有两个，一个是螺母系数K，另一个是螺栓载荷Fa。

下面就这两个因素具体论述：

（1）K的取值，通常螺栓没有镀层取 0.2，有镀层取0.16[3]。

（2）关于K值的选取相对较为明确，影响就比较固定。因此，在此着重讨论的是Fa螺栓载荷选取，计算螺栓扭矩工况的选择。

进入21世纪以来，通过“数字黄河”工程建设、水质自动监测体系建设、黄河水资源保护重大问题研究等，水资源保护现代化水平和科技支撑能力不断提高。

对于一台设备的法兰通常都会有三个大的工况过程：一是预紧；二是制造厂的水压试验，这是考验一个法兰设计密封的第一步；三是正常操作工况。一般为了考虑安全上的余量，采用设计工况替代操作工况计算、设计法兰。

根据设计上的思路，Fa取设计工况和预紧工况中螺栓载荷的较大值进行螺栓扭矩的计算，认为是安全的可以密封的。但往往忽略了一点，水压试验的值，相对设计计算压力是有放大和修正的。根据ASME VIII-1 附录S，水压试验时的螺栓扭矩值应该在设计工况下提高1.5 倍。然而，对于某些设备提高1.5 倍之后依然还会存在水压试验时，螺栓上紧密封不住的情况。初步判断应该是水压试验值的不同而导致的结果。

就此基于GB 和ASME 设计体系水压试验值的计算推导出具体的螺栓扭矩提高倍数K1值。