法兰接头密封—安装螺栓载荷及其确定原则

huanghong · 发表于 2021-8-14 11:39:28

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按照压力容器或管道设计规范，可以确定保证法兰接头强度安全需要的螺栓载荷，此载荷称为“设计螺栓载荷”，但是由于各种原因，如果依据该螺栓载荷去实际安装法兰接头，有可能达不到设计的密封要求，甚至提前出现泄漏现象。因此，现场安装法兰接头时实际需要多少预紧螺栓载荷（把此载荷称为“安装螺栓载荷”），成为能否实现有效密封的核心问题之一。本讲将回答以下两个问题：什么是“安装螺栓载荷”？确定“安装螺栓载荷”的原则是什么？

(1) 何谓“安装螺栓载荷”？第 30 讲中已经讲到，压力容器或管道设计规范的法兰设计中，利用 m、y 两个垫片设计参数，基于最小垫片预紧应力( y )和最小垫片操作应力( mp )计算预紧和操作两种工况下的螺栓载荷，并取两者计算结果中的最大值，确定需要的最小螺栓总横截面积，而实际选用的螺栓总横截面积不少于该总横截面积，从而确定需要的螺栓尺寸和数量，然后就可以据此确定校核法兰本身强度的螺栓载荷，把此载荷称为“设计螺栓载荷”。装置用户和安装单位时常把设计螺栓载荷视同安装用预紧螺栓载荷，而实际的安装螺栓载荷（即“安装螺栓载荷”）要比设计螺栓载荷大。这是因为：首先，考虑安装好的承压容器或管道法兰需要通过耐压试验，而通常的液压试验压力为设计压力的 1.25 或 1.5 倍，所以螺栓必须拧紧到满足液压试验的密封要求，以致安装螺栓载荷要高出设计螺栓载荷。其次，规范法兰设计也没有全面考虑法兰系统的每一元件，包括螺栓的松弛、法兰的变形、垫片的蠕变松弛等，这些因素都将导致实际垫片操作应力低于设计垫片操作应力。此外，法兰接头实际安装中也存在螺栓的弹性交互作用、法兰装配的不精确性、不同安装工具和方法（何况一般不采用力矩控制）等使安装螺栓载荷也可能低于设计螺栓载荷，显然，不论安装螺栓载荷偏低还是过高，都会造成垫片应力偏低或过高以及不均匀分布，给法兰接头密封带来不利后果，且影响螺栓腐蚀、振动、疲劳和螺母松动等。无论规范设计的非标（准）法兰还是非规范设计的标准法兰，都没有给出安装螺栓载荷，以区别于按规范法兰设计得到的设计螺栓载荷。调查表明，85%的法兰接头泄漏是由于安装螺栓载荷不足，如图 1 所示。因此，为了保证螺栓法兰接头的紧密性要求，特别是在密封性的充分条件上保证必须的预紧螺栓载荷，也就是确定安装螺栓载荷，成为螺栓法兰接头实现有效密封和泄漏控制的核心问题之一。

(2) “安装螺栓载荷”的确定原则如上所述，法兰规范设计没有给出计算安装螺栓载荷的方法。因此，目前工程上在法兰接头安装中或图片图片

图 1 随机选取 100 片失效垫片的原因分析

基于垫片使用厂经验或垫片制造厂推荐的安装螺栓载荷，其中以选定螺栓材料屈服强度（安装温度下）的某一百分比为安装螺栓应力（也称为“目标螺栓应力”），然后据此确定安装需要的螺栓载荷，即目标螺栓应力乘以螺栓根径截面积，这是确定安装螺栓载荷的最直接方法。

该方法的基本原则是安装螺栓载荷必须预紧垫片至足够的应力，而操作时垫片上则留有充足的应力，保证法兰接头达到预定的紧密性要求，同时也必须保证在安装和操作等工况下法兰、螺栓和垫片不发生任何可能的机械损伤。该方法主要目标是确定最小安装螺栓载荷和最大安装螺栓载荷。最小安装螺栓载荷一方面不宜取得偏低，首先应保证操作时垫片上有足够的密封应力，足以补偿振动、冲击、压力和温度循环、拧紧工具和方法误差等造成实际预紧螺栓载荷的松弛。另一方面安装螺栓载荷不宜取得过小，这样一会导致拧紧螺栓力矩产生的实际螺栓载荷不精确，其次对螺栓疲劳寿命造成不利影响。而最大安装螺栓载荷不宜取得过高，以致可能对法兰、螺栓和垫片造成机械损坏，并增加应力腐蚀开裂的敏感性。因此，主要控制原则如下：

a. 对螺栓而言，最小螺栓安装载荷应足够补偿法兰接头的松弛损失，即最小螺栓安装载荷下的安装螺栓应力，至少在螺栓屈服强度（安装温度下）的 20%～40%之间；最大安装螺栓载荷下的安装螺栓应力（也称“螺栓安装目标应力”）应取得尽可能较高，通常为螺栓材料屈服强度（安装温度下）的 40%～70%，但不超过 90%的螺栓材料屈服强度。

b. 对垫片而言，最小安装螺栓载荷满足垫片操作应力大于垫片最小操作应力；最大安装螺栓载荷下的垫片应力不大于垫片的最大压溃应力。垫片最小操作应力和最大压溃应力要由标准试验方法确定，如 EN13555 等。

c. 对法兰而言，最大螺栓安装载荷下的法兰内（安装）应力不超过法兰材料的最大许用应力和法兰的允许回转角度，法兰安装应力和回转角按有关计算方法进行估算和安全评定。关于确定安装螺栓载荷的具体方法，读者可参见 GB／T 38343-2019《法兰接头安装技术规定》。