摘 要：分析了从预紧状态到操作状态过程中螺栓受力、垫片回弹等特性。针对螺栓的预紧力进行了详细的分析和计算。过大的预紧力会将垫片压坏导致密封失效，因此合理地确定螺栓预紧力是防止法兰密封面出现泄漏的重要因素。
关键词：垫片 螺栓 预紧力 回弹
法兰连接是压力容器上必不可少的重要部件，被广泛应用于石油化工、电力、轻工等领域。法兰连接失效形式主要表现为泄漏。一旦发生泄漏，不仅给工业生产带来安全隐患，而且会造成资源浪费和环境污染。为了阻止介质泄漏，施加给螺栓保证密封完好，不发生泄漏的力称为预紧力。预紧力是影响法兰密封的重要因素。垫片属于密封元件，被安装于两个密封平面之间，以达到更好的流体密封效果，减少流体泄漏。垫片在密封中的作用是比较明显的，由于机械加工工艺的限制，密封面很难呈现绝对的平整，垫片的使用则可以填补密封面之间的不规则处。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。
1、螺栓预紧力的作用
法兰连接中螺栓预紧力有两个作用。一是为垫片提供初始预紧力，保证法兰在设备升压初始阶段不发生泄漏。二是在操作压力下螺栓发生拉伸变形后仍能提供足够的垫片压紧力，保证法兰在正常工况下不发生泄漏。因此，需对两种工况下分别进行计算所需的螺栓预紧力数值，取其中较大值作为螺栓预紧力数值。
2、垫片压紧力及螺栓载荷分析
2.1垫片压紧（详见参考文献[1]）
2.1.1预紧状态下需要的最小垫片压紧力
FG=Fa=3.14DGby
2.1.2操作状态下需要的最小垫片压紧力
FG=Fp=6.28DGbmPc
DG———垫片压紧力作用中心圆直径
b———垫片有效密封宽度
y———垫片比压力
m———垫片系数
Pc———计算压力 Fp———操作状态下需要的最小垫片压紧力
2.2螺栓载荷
2.2.1预紧状态下需要的最小螺栓载荷
Wa=Fa=3.14DGby
2.2.2操作状态下需要的最小螺栓载荷
Wp=F+Fp=0.785 DG2Pc+6.28DGbmPc
通过以上公式可以看出在预紧状态下所需要的螺栓最小载荷Wa等于预紧状态下需要的最小垫片压紧力FG。
预紧状态下螺栓所需要的最小载荷只是预紧状态下所需要的最小垫片压紧力，并非所说的预紧力。式中y为垫片比压力，m为垫片系数，由于m和y都是垫片本身特有的属性，不同的垫片具有不同的m、y值，数值仅与垫片的材质及压紧面形状等属性有关，所以Fa本身与现场实际的操作状态无关。但操作状态下所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F=0.785 DG2Pc，另一部分是确保垫片密封所需的压紧力Fp =6.28DGbmPc，两者之和即为操作状态下所需最小螺栓载荷。
3、预紧力分析
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：
（图1）
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当螺栓在受力时,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Qp,此时螺栓伸长值为DE,垫片压缩值为FE,A点即预紧时的状态, Qp即所需的预紧力。这示意图说明,由预紧状态变为操作状态,螺栓拉伸量由DE增长到DG，螺栓载荷由Qp增加到Wp。垫片压缩值由FE降至FG,垫片载荷由Qp减小到Fp。说明进入操作状态后，随着内压引起的轴向力F的增加，垫片所受到的压缩力减少而松弛,使得垫片回弹，ΔF即为垫片回弹时所减小的受力值。并且螺栓拉伸值的变形量等于垫片压缩值的变形量，都为EG，即垫片回弹量。但当给螺栓施加的预紧力过高时，垫片可能会被压坏，由于超出了它本身的弹性模量导致垫片未能达到正常回弹值。也就是垫片的回弹量小于螺栓的拉伸变形量，此时将会导致密封失效。
4、实际计算
乙烯装置的裂解气压缩机五段后冷器EA-205A是由SEI设计，石家庄天人化工设备集团有限公司生产的。该换热器型式为AES浮头式换热器，计算换热面积1322m2,属二类压力容器。管程介质为冷却水，操作温度32/38℃，操作压力0.42MPa，材质10#钢。壳程介质为裂解气，操作温度85.6/39℃，操作压力3.996MPa，材质16MnR。此换热器管板法兰处曾发生泄漏，通过上述方法对其螺栓预紧力进行分析计算。
首先根据法兰的接触型式及压紧面形状选择b0=N/2（详见参考文献[1]）。N为垫片接触宽度，b0为基本密封宽度。
N=（1837-1787）/2=25mm
b0=12.5mm
当 b06.4mm时，b= b0
当b0＞6.4mm时，b=2.53
所以b0=12.5mm＞6.4mm，b=9mm
当b06.4mm时，DG等于垫片接触的平均直径；
当b0＞6.4mm时，DG等于垫片接触的外径减去2b。
所以DG=1837-18=1819mm
预紧状态下需要的最小螺栓载荷
Wa=Fa=3.14DGby=3.14×1819×9×69.6
=3.6×106N
操作状态下需要的最小螺栓载荷
Wp=F+Fp =0.785 DG2Pc+6.28DGbmPc
=0.785×1.8192×3.996×106
+6.28×1.819×0.009×3×3.996×106
=11.2×106N
因为Wp ＞Wa，所以我们取较大值Wp。
每个螺栓上的载荷F单=Wp/64=175KN
预紧力矩的计算
T=KFd=0.18×11.2×106×0.042
=84672Nm
T单=84672/64=1323Nm
K———螺栓与螺母的摩擦系数（详见参考文献[2]）
d———螺纹中径
T‘=1323×2=2646Nm
螺栓与螺母的摩擦系数是通过螺栓材料、螺栓规格、表面处理及支承面材料等因素得到的一个估算值。由于表面处理、支承面材料对摩擦系数有较大的影响，所以在将操作状态下的螺栓载荷换算成预紧力矩的时候受到螺栓与螺母的摩擦系数影响难免会产生误差。上述计算也是从理想的条件出发的。在实际连接中,影响预紧力矩的因素很多,如螺栓、螺母的制造质量、法兰刚度、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。现场利用扭矩扳手操作的时候，由于润滑条件、螺栓的新旧破损程度的差异会导致对每根螺栓的预紧力矩产生偏差。由于我们计算的此数值是理论上的最小预紧力矩，并且考虑到现场实际操作时产生的误差，因此建议取此最小预紧力矩值的2倍即1323×2=2646Nm为实际操作的保证值。
5、结论
法兰连接所需的螺栓预紧力与密封面的型式、垫片的型式、尺寸、材质、系统的操作压力等多种因素有关，不应只凭经验选取紧固力矩或凭手感进行螺栓紧固，而应进行具体的计算。现场实际操作时为了降低误差值，关键部位的设备建议采用螺栓拉伸器进行预紧。因为螺栓拉伸器使用纯拉力直接拉长螺栓，无扭剪力和侧向力，对联接的接触面无摩擦损伤，是精确控制螺栓预紧力的最佳方法。比起液压扭矩扳手，螺栓拉伸器更加精确，无扭转应力、无摩擦损伤，因此螺栓拉伸器在对预紧力要求较严的场合应用更为广泛。
参考文献：
[1]《钢制压力容器》 GB150-1998
[2] 曹增强，西北工业大学《机械科学与技术》1994年第一期
作者简介：钟绍昕（1984-），设备工程师，主要从事设备管理方面工作。