基于ASME规范法兰螺栓紧固扭矩的计算和应用

马根

中国石油管道局工程有限公司 第三工程分公司（河南 郑州 451450）

0 引言

ASME PCC—1—2013《压力边界螺栓法兰连接安装指南》作为国际通用的螺栓紧固标准，主要优势体现在两个方面：一是计算公式简单，便于操作；二是实践应用广泛，容易得到业主和监理的认可。

关于法兰螺栓紧固扭矩的计算，国内有很多相关的研究。蔡暖姝、蔡仁良等人[1-2]全面研究了螺栓法兰接头安全密封技术，并组织制定了GB/T 38343—2019《法兰接头安装技术规定》这一国家标准[3]。袁成乾等人[4]研究了ASME PCC—1—2013与Tay⁃lor-Waters法螺栓载荷计算分析与对比。张铁刚[5]研究了ASME PCC—1—2013法兰密封装配技术。王宏伟等人[6]总结了法兰管理在伊拉克马季努恩项目的应用。梁立国等人[7]总结了法兰管理在沙特阿美站场项目的应用。

目前的研究成果虽然给出了工程上常用的螺栓紧固计算公式，但是公式中各参数如何选取却没有详细介绍。同时，国际工程中经常采用英制螺栓，而力矩扳手通常采用公制单位，英制目标扭矩的计算和转换还没有专门的统计，不利于工程实践中的应用。因此在中国石油管道局马来西亚项目施工中，以最常见材质SA193 Gr.B7的25.4 mm（1 in）粗牙螺纹螺栓为例，运用ASME PCC—1—2013螺栓紧固公式，结合ASME B1.1—2003求得英制目标扭矩，然后转换为公制目标扭矩。并以此类推，求出所有材料英制螺纹紧固扭矩表，用于指导现场法兰管理施工。

该项技术的关键在于充分理解业主和监理共同认可的标准，根据现场实际，明确标准中未固定的参数，然后计算出项目涉及到的所有螺栓紧固的目标力矩，并得到业主和监理的批复，最后再转换为现场操作员工更容易理解的公制单位,这样才能保证三方质量目标一致，保障验收环节顺利。

1 英制螺栓紧固扭矩计算方法

1.1 扭矩值计算

1.1.1 螺栓安装扭矩计算公式

根据ASME PCC—1—2013附录K，采用扭矩系数K值计算螺栓安装扭矩值T的方法[8]如下：

式中：T为目标扭矩，ft-lb；K为螺母系数,无量纲；D为螺栓公称直径，in；F为目标螺栓载荷，lb。

螺母扭矩系数K根据ASME PCC—1—2013附录K，取值范围为0.16~0.2，在计算中取K=0.16。

1.1.2 螺栓载荷及螺栓预紧力计算公式

目标螺栓载荷及螺栓预紧力计算公式[5]如下：式中：F为目标螺栓载荷，lb；As为螺纹公称应力截面，in2；σy为螺栓材料最小屈服强度，psi；P为材料屈服强度折算系数,无量纲。

最大螺栓预紧力通常取螺栓屈服应力的50%~70%比较合适[9]。考虑产生60%螺栓屈服应力的螺栓扭矩，因此，P=60%。

1.1.3 螺纹公称应力截面计算公式

螺纹公称应力截面计算公式参考ASME B1.1附件B[10]：

式中：As为螺纹公称应力截面，in2；D为螺栓公称直径，in；1/P为每英寸上螺纹牙数,无量纲。

1.1.4 扭矩值计算

以最常见材质SA193 Gr.B7的1 in粗牙螺纹螺栓为例，根据ASME B1.1—2003可知，1 in粗牙螺纹每英寸上螺纹牙数为8,即1/P的值为8。根据式（3）计算可得螺纹公称应力截面:

查询ASME SA—193高温或高压及其他特殊用途合金钢和不锈钢螺栓材料[11]，可得SA193 Gr.B7材质力学性能，见表1。

表1 SA193 Gr.B7材质力学性能

目标螺栓载荷根据式（2），计算过程如下:

目标扭矩根据式（1），计算过程如下:

1 lb=0.453 6 kg,1 ft=0.304 8 m，可以算出1 ft-lb=0.453 6×9.8×0.304 8=1.355（N·m）,1 in=25.4 mm。

由于紧固设备通常为公制单位刻度,所以目标扭矩转换为公制单位,计算结果如下:

T=509.040 ft-lb=689.749 N·m。

目标扭矩可圆整为690 N·m。SA193 Gr.B7的1 in粗牙螺纹螺栓紧固所需的目标扭矩计算结果详见表2。

表2 1 in（25.4 mm）螺纹目标扭矩计算结果列表

1.2 SA193 Gr.B7英制螺纹扭矩值计算

根据1 in粗牙螺纹螺栓扭矩计算过程，以此类推,可以计算出所有SA193 Gr.B7螺纹目标扭矩值。

当螺纹尺寸大于2⅟2 in时，需要注意螺栓材料最小屈服强度不再是105 ksi，应该采用95 ksi进行计算。汇总计算结果后，SA193 Gr.B7螺纹目标扭矩值见表3。

表3 SA193 Gr.B7螺纹目标扭矩值列表

至于其他材料的螺栓,只要查询ASMT(美国材料与试验协会)标准,找到材料对应的屈服应力,替换公式（2）中的屈服应力,后面的计算过程都是类似的,这样就能计算出所有材料英制螺纹紧固的目标扭矩。详细的计算过程不再赘述。

扭矩值表格通常由项目质量管理人员计算，经业主审核通过后，对现场法兰管理操作人员进行技术交底，由法兰管理操作人员负责实施。项目质量管理人员和监理负责监督、审核、测试螺栓紧固成果。

2 螺栓紧固程序

1）法兰管理人员必须经过相关理论与操作培训，具备相应的安装和检查的能力[12]。

2）施工中所需要的扭矩设备应提前送第三方校验机构进行定期效验。

3）无校验编码或超过有效校验期的扭矩工具不能使用。上紧前先对螺栓进行编号，紧固顺序参考ASME PCC—1—2013。

4）螺栓紧固。螺栓紧固时扭矩应严格按照标准进行调试紧固，紧固次数和每步扭矩根据业主的要求执行。传统方法[2]紧固分5次进行，以SA193 Gr.B7的1 in（25.4 mm）粗牙螺纹螺栓为例,目标扭矩690 N·m,紧固步骤为：①用手拧上螺帽，检查螺帽拧动是否顺滑。②第一次紧固：按十字交错的顺序使用20%~30%扭矩（选30%T=30%×690=207 N·m）拧紧每个螺帽。③第二次紧固：按十字交错的顺序使用50%~70%扭矩（选60%T=60%×690=414N·m）拧紧每个螺帽。④第三次紧固：按十字交错的顺序使用100%扭矩（690 N·m）拧紧每个螺丝。⑤第四次紧固：按顺时针方向使用100%扭矩（690 N·m）再次打紧螺丝直到扭力均匀。⑥间隔4 h。⑦第五次紧固：4 h后按顺时针方向使用100%扭矩（690 N·m）再次打紧螺丝直到扭力均匀。

5）紧固过程中应时刻测量其连接头间隙，紧固完成后螺栓出丝度应一致，应满足螺栓出丝度要求（正常出丝1.5~3扣）。

6）法兰密封面的平行度和对中的允差[8]，如图1所示。

图1 法兰密封面的平行度和对中的允差

7）压力试验。在试压过程或试运行过程中发生泄漏，应对泄漏口重新紧固。二次紧固完成后应对螺帽重新标记、检查无误后重新挂牌，牌上应体现出二次紧固的力距值、紧固日期、检查人员。

8）扭矩复查。在每个螺栓上采用“十”字标识或“一”字标识。现场质检人员定期（按要求每3个月）对管理过的法兰接头进行扭矩复查。螺栓原始紧固标记和标记移位检查如图2所示。

图2 螺栓原始紧固标记和标记移位

9）法兰标识。①标牌法兰接头安装应有唯一的识别标签，表示螺栓上紧以及试验完成状态，并于安装检验合格后去除。具体内容可由安装单位和用户协商确定。法兰管理标牌模板如图3所示。②二维码。根据统计的法兰口编号，按规范要求制作二维码标签。根据图纸和已挂牌信息对已管理完成的法兰接头粘贴二维码，如有保温层二维码应粘贴在保温层表面清晰可见，便于追踪法兰接头数字化管理信息。

图3 法兰管理标牌模板

3 应用实例

在马来西亚项目站场施工中，两期工程共承担了10座储罐、4台球罐、1座双壁低温罐和4台子弹罐的工艺设备安装任务，施工中严格按照法兰管理相关标准规范和要求进行，累计管理6 210道法兰连接接头，经试压、投产运行测试无任何泄漏口，一次性投产成功。法兰管理成果得到业主的认可，促进了双方临时验收证明的顺利签署，为项目进入质保期，尽早拿回质保金奠定了基础。

4 结束语

采用ASME PCC—1—2013标准公式统一进行的法兰螺栓扭矩的计算，能够保障法兰紧固质量，提高施工效率，最大限度地得到外方业主的认可。通过对国际工程法兰螺栓扭矩计算经验的总结，建立一套专门用于英制法兰螺栓安装扭矩值计算的指南，对于规范国际项目法兰管理的作业过程，提升螺栓法兰安装技术水平具有重要意义。