哈电集团哈尔滨电站阀门有限公司 黑龙江哈尔滨 150046
摘要：剖析了中法兰结构阀门在使用工况下发生外漏的原因，阐述了解决阀门中法兰处外漏的设计思路和方案。详解了中法兰处螺栓预紧力的设计计算过程及计算公式。
关键词：螺纹螺旋角；螺栓预紧力；螺栓载荷；螺纹摩擦角
1 概述
在火力发电机组上，常常用到关断类和调节类的阀门，来实现打开或关断线路，以及调节系统流量和压力的功能来保证系统的正常运行。无论是关断类还是调节类型的阀门都设计有中法兰的结构形式。中法兰阀门设计结构简单，零部件少，制造成本低。但是，中法兰处却极易出现阀门外漏的现象，导致正在运行的机组不得以进行带压堵漏的危险操作，直接影响到系统或机组的安全运行。
2 中法兰外漏原因分析
导致中法兰外漏的原因有三方面：一方面是密封件质量不合格，高温性能不合格，密封性能失效导致外漏的发生；另一方面是阀体和阀盖止口的机加尺寸和粗糙度不合格，密封面失效导致外漏的发生；最后一方面也是最重要的一个因素，阀门装配时，所施加的螺栓预紧力不够，未达到密封件密封所需要的初始预紧力，导致阀门外漏。螺栓预紧力往往是设计者所忽略的方面。多数设计者在设计过程中未进行中法兰螺栓预紧力的计算，未在装配图纸中明确给出。下面，就影响中法兰外漏的主要因素，详解关于中法兰螺栓的预紧力计算方法。
3 中法兰螺栓预紧力的设计计算
火电领域的中法兰结构阀门，一般多采用缠绕式垫圈来保证阀门的密封，所以需要提供一定的预紧力来压紧密封件，保证其密封性能的实现。以DN100，PN20调节阀中法兰的设计为例，设计结构图见图1。
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图1
3.1 缠绕垫圈基本密封宽度
缠绕垫圈基本密封宽度b0为
b0=（d1-d2）/4 （1）
式中 b0——基本密封宽度，mm
d1——缠绕垫圈接触的外径，mm
d2——缠绕垫圈接触的内径，mm
d1=158mm，d2=130mm，所以，由式（1）可求得，b0=7mm。
3.2 缠绕垫圈有效密封宽度
因为b0>6.4mm，所以缠绕垫圈有效密封宽度b为
b=2.53×
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（2）
式中 b——有效密封宽度，mm
b0=7mm，所以，由式（2）可求得，b=6.69mm。
3.3 缠绕垫圈压紧力作用中心圆直径
因为b0>6.4mm，所以缠绕垫圈压紧力作用中心圆直径DG为
DG=d1-2×b （3）
式中 DG——缠绕垫圈压紧力作用中心圆直径，mm
d1=158mm，b=6.69mm，所以，由（3）式可求得DG=144.61mm。
3.4 预紧状态下垫片压紧力
预紧状态下垫片压紧力FG为
由于图1的设计结构为2个尺寸相同的缠绕垫圈，所以预紧状态下2个垫片压紧力FG为
FG=3.14×DG×b×y×2 （4）
式中 FG——预紧状态下垫片压紧力，N
y——比压力，MPa
由上面式中求得，DG=144.61mm，b=6.69mm，缠绕垫圈的比压力y=69MPa，所以，由（4）式可求得FG=419453.77N。
3.5 预紧状态需要的最小螺栓载荷
预紧状态需要的最小螺栓载荷Wa为
Wa=FG （5）
式中 Wa——预紧状态需要的最小螺栓载荷，N
由（5）式可求得Wa=419453.77N。
3.6 螺纹螺旋角
螺纹螺旋角α为
α=art（s/（π×Dfp） （6）
式中 α——螺纹螺旋角，0
s——螺纹螺距，cm
Dfp——螺纹中径，cm
中法兰设计为8个M27粗牙普通螺纹的螺栓，s=0.3cm，Dfp=2.505cm，所以，由（6）式可求得α=2.180。3.7 关闭时螺纹摩擦角
关闭时螺纹摩擦角ρ为
ρ=art（μ1） （7）
式中 ρ——关闭时螺纹摩擦角，0
μ1——关闭时螺纹摩擦系数
关闭时螺纹摩擦系数为μ1=0.22，所以，由（7）式可求得ρ=12.4070。
3.8 关闭时螺纹摩擦半径
关闭时螺纹摩擦半径Rfm为
Rfm=Dfp×10×tg（α+ρ）/2 （8）
式中 Rfm——关闭时螺纹摩擦半径，mm
由上面式中求得，Dfp=2.505cm，α=2.180，ρ=12.4070，所以，由（8）式可求得Rfm=3.26mm。
3.9 用于克服螺纹副的螺纹阻力矩
用于克服螺纹副的螺纹阻力矩T1为
T1=Wa/n×Rfm （9）
式中 T1——用于克服螺纹副的螺纹阻力矩，N.mm
n——中法兰螺栓个数，个
由上面式中求得，Wa=419453.77N，Rfm=3.26mm，中法兰螺栓数量n=8，所以，由（9）式可求得T1=170949.332N.mm。
3.10 螺母与被连接件支撑面间的断面摩擦力矩
螺母与被连接件支撑面间的断面摩擦力矩T2为
T2=Wa/n×fc×（1/3）×（Dw3-d03）/（Dw2-d02） （10）
式中 T2——螺母与被连接件支撑面间的断面摩擦力矩，N.mm
fc——螺母与被连接件支撑面间的摩擦系数
Dw——螺母扳手处六方内切圆直径（接触面外径），mm
d0——螺栓孔直径（接触面内径），mm
n——中法兰螺栓个数，个
干燥的机加工表面螺母与被连接件支撑面间的摩擦系数为0.1~0.16，取fc=0.1，M27螺母的六方内切圆直径Dw=41mm，M27螺栓孔直径d0=30mm，中法兰螺栓数量n=8，所以，由（10）式可求得T2=93810.935N.mm。
3.11 螺栓扳手拧紧力矩
螺栓扳手拧紧力矩T为
T=（T1+T2）/1000 （11）
式中 T——螺栓扳手拧紧力，N.m
由上面式中求得，T1=170949.332N.mm，T2=93810.935N.mm，由（11）式可求得T=264.76N.m。因此，求得阀门装配预紧时，中法兰每个螺栓的拧紧力矩为264.76N.m，只有达到这个数值，才能保证缠绕垫圈密封所需的压紧力。
4 结语
通过对阀门中法兰外漏原因的详细分析，发现中法兰螺栓的预紧力不够是导致阀门外漏的重要因素之一。因此，对于中法兰螺栓的预紧尤为重要。在中法兰结构的阀门设计中，必须进行中法兰螺栓预紧力的计算，计算出扳手力矩值，在图纸中给出，同时在装配过程中，保证此预紧力矩值，从而提供缠绕垫圈所需的密封压力，最终避免阀门外漏现象的发生。
参考文献：
[1] 孙志礼等，机械设计手册 [M]，北京：机械工业出版社，2010
作者简介：
李红梅（1970-），女，湖南省南县人，高级工程师，主要从事电站阀门设计和研究工作。