安廣輝

（北京沃利帕森工程項(xiàng)目管理有限公司，北京 100021）

螺栓和墊片在工業(yè)管道法蘭連接中大量應(yīng)用，在管道材料設(shè)計(jì)中，如何正確地選擇螺栓和墊片對(duì)于管道的安全有重要的影響。

法蘭常用螺栓分單頭螺栓（又稱(chēng)六角頭螺栓）和雙頭螺栓（又稱(chēng)螺柱）[1]。美標(biāo)螺柱一般為全螺紋螺柱，而我國(guó)一般使用雙頭螺栓。由于雙頭螺栓的無(wú)螺紋部分直徑大于螺紋根徑，因此屬于剛性螺栓，其抗疲勞及防松弛性能要低于全螺紋螺柱[2]。

常用法蘭墊片有非金屬墊片、半金屬墊片和金屬墊。非金屬墊片亦稱(chēng)軟墊片，一般以石棉為主體配以橡膠等材料制作而成，通常只是在操作溫度較低，操作壓力不高的管道上使用。半金屬墊片由金屬材料和非金屬材料共同組合而成，常用的有纏繞式墊片和金屬包墊片，它比非金屬墊片所承受的溫度壓力范圍較廣。金屬墊全部由金屬制作，有波形、齒形、橢圓形、八角形和透鏡墊等，這種墊片一般用在半金屬墊片所不能承受的高溫高壓管道法蘭上[1]。

管道法蘭設(shè)計(jì)中，螺栓和墊片的選擇都有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。以下將通過(guò)介紹國(guó)內(nèi)及國(guó)際主要相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明螺栓和墊片的選用原則。

希望通過(guò)本文的介紹，對(duì)需要選擇法蘭螺栓和墊片的管道工程師有一定的指導(dǎo)作用。

1 螺栓和墊片相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)介紹

中國(guó)、歐盟及美國(guó)制定了很多關(guān)于管道法蘭螺栓和墊片選用標(biāo)準(zhǔn)及材料產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)等。以下將一一介紹各國(guó)主要使用的螺栓墊片選用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

1.1 我國(guó)螺栓墊片選用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

我國(guó)有很多關(guān)于螺栓墊片選用的標(biāo)準(zhǔn)，有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、石化行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等。以下對(duì)于我國(guó)工業(yè)項(xiàng)目中常用的螺栓墊片選用標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行一一介紹。

1.1.1 工業(yè)管道壓力管道規(guī)范GB/T 20801—2006《壓力管道規(guī)范 工業(yè)管道 第3 部分：設(shè)計(jì)和計(jì)算》

螺栓的選用應(yīng)考慮法蘭形式、墊片類(lèi)型、操作溫度和操作壓力等因素。螺栓強(qiáng)度分為低強(qiáng)度、中強(qiáng)度和高強(qiáng)度。不同強(qiáng)度的螺栓要對(duì)應(yīng)不同的墊片和法 蘭。

墊片的選用應(yīng)考慮流體性質(zhì)、使用溫度、壓力以及法蘭密封面等因素。墊片的密封荷載應(yīng)與法蘭的壓力等級(jí)、密封面型式、表面粗糙度和緊固件相匹 配[3]。

以下介紹本標(biāo)準(zhǔn)在使用過(guò)程中會(huì)遇到的一些問(wèn)題及注意事項(xiàng)。

表1 是從標(biāo)準(zhǔn)中摘錄出的緊固件強(qiáng)度分類(lèi)，從表1 看到，螺栓材料標(biāo)準(zhǔn)不是美標(biāo)就是歐標(biāo)，我國(guó)壓力容器、壓力管道行業(yè)，目前還處于無(wú)專(zhuān)門(mén)的緊固件材料標(biāo)準(zhǔn)的狀態(tài)[2]。因此我國(guó)應(yīng)該加緊制定壓力容器、壓力管道行業(yè)的緊固件材料標(biāo)準(zhǔn)。

從表1 還看到，對(duì)于中強(qiáng)度緊固件，沒(méi)有碳鋼材質(zhì)的，如果在遇到碳鋼管道需要中強(qiáng)度緊固件的情況，我們就無(wú)從選擇，只能選擇高強(qiáng)度緊固件代替。但是在美標(biāo)的法蘭標(biāo)準(zhǔn)ASME B16.5《PIPE FLANGES AND FLANGED FITTINGS》中，對(duì)于中強(qiáng)度緊固件，是有A193 B5 和A193 B7M 等碳鋼緊固件的。因此我們可以先引用美標(biāo)的中強(qiáng)度緊固件材料，編入我們的緊固件強(qiáng)度分類(lèi)表中。在目前的GB/T 20801—2016 征求意見(jiàn)稿中，筆者發(fā)現(xiàn)還沒(méi)有編入中強(qiáng)度碳鋼緊固件，因此在正式出版之前，可以考慮編入。

從標(biāo)準(zhǔn)條文“5.1.9.3 石棉橡膠墊片應(yīng)滿(mǎn)足以下要求：”可以看出，我國(guó)還是可以使用石棉墊片的。根據(jù)國(guó)際禁止石棉秘書(shū)處的數(shù)據(jù)，從歐盟到波斯灣，從日本等工業(yè)國(guó)到非洲的發(fā)展中經(jīng)濟(jì)體，有66 個(gè)國(guó)家禁止使用石棉。仍然允許使用石棉的國(guó)家是中國(guó)，俄羅斯，印度和美國(guó)等。因此當(dāng)我們要給這66 個(gè)國(guó)家設(shè)計(jì)并制造撬塊時(shí)，一律不得使用含石棉墊片，否則將會(huì)觸犯這些國(guó)家的法律。

1.1.2 化工行業(yè)螺栓墊片選用標(biāo)準(zhǔn)HG/T 20614—2009《鋼制管法蘭、墊片、緊固件選配規(guī)定（PN 系列）》

本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了鋼制管法蘭、墊片和緊固件（PN系列）配合使用時(shí)選用的一般規(guī)則[4]。

以下介紹本標(biāo)準(zhǔn)在使用過(guò)程中會(huì)遇到的一些問(wèn)題及注意事項(xiàng)。

化工行業(yè)的法蘭標(biāo)準(zhǔn)HG/T 20592—2009《鋼制管法蘭（PN 系列）》的壓力等級(jí)只到PN 160，所以化工行業(yè)墊片標(biāo)準(zhǔn)也只到PN 160。國(guó)標(biāo)的法蘭標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9115—2010《對(duì)焊鋼制管法蘭》的壓力等級(jí)有歐洲體系和美洲體系兩個(gè)序列，但是國(guó)標(biāo)的墊片標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9128—2003《鋼制管法蘭用金屬環(huán)墊 尺寸》只有美洲體系序列。所以GB/T 9128—2003 只適用于2010 版國(guó)標(biāo)法蘭的美洲體系的環(huán)連接面法蘭。對(duì)于2010 版國(guó)標(biāo)法蘭的歐洲體系的環(huán)連接面法蘭，國(guó)標(biāo)沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)可循，希望在GB/T 9128—2003 修訂時(shí)，能把PN 系列的環(huán)連接面法蘭所配墊片編入。

本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定六角頭螺栓和雙頭螺柱只能用于非有毒、非可燃介質(zhì)以及非劇烈循環(huán)場(chǎng)合。這個(gè)要求在GB/T 20801 中并沒(méi)有規(guī)定。這是因?yàn)榛ば袠I(yè)用到的有毒和可燃介質(zhì)眾多，所以需要的安全性更高，才提出了這樣的要求。而國(guó)標(biāo)適用于沒(méi)有指定本行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的某些行業(yè)，例如市政行業(yè)、環(huán)保行業(yè)和環(huán)境衛(wèi)生行業(yè)等。

1.1.3 石化行業(yè)管道器材選用標(biāo)準(zhǔn)SH/T 3059—2012《石油化工管道設(shè)計(jì)器材選用規(guī)范》

本規(guī)范規(guī)定了石油化工管道材料的選用、管道組成件的選用要求和計(jì)算方法[5]。

以下介紹本標(biāo)準(zhǔn)在墊片和螺栓選擇過(guò)程中遇到的一些問(wèn)題及注意事項(xiàng)。

由于石化行業(yè)法蘭標(biāo)準(zhǔn)SH/T 3406—2013《石油化工鋼制管法蘭》只有美洲體系，所以本標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定也只是針對(duì)石化行業(yè)美洲體系墊片和螺栓的選用。

本標(biāo)準(zhǔn)中也引用了一些化工行業(yè)的墊片標(biāo)準(zhǔn)，這說(shuō)明了石化行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)也不是特別健全。

1.2 美國(guó)墊片螺栓選用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

美國(guó)使用的主要法蘭標(biāo)準(zhǔn)有ASME B16.5—2017[6]、AWWA C207—2018[7]和ASME B16.1[8]，所以以下介紹的墊片螺栓的選用標(biāo)準(zhǔn)也是圍繞這三個(gè)法蘭標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

1.2.1 美國(guó)法蘭標(biāo)準(zhǔn)

本標(biāo)準(zhǔn)是廣泛使用的工業(yè)管道法蘭的美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，在我國(guó)的石化行業(yè)中使用也非常廣泛。

以下介紹本標(biāo)準(zhǔn)在墊片螺栓選擇過(guò)程中提到的一些注意事項(xiàng)。

本標(biāo)準(zhǔn)提到螺栓分為低強(qiáng)度螺栓、中強(qiáng)度螺栓和高強(qiáng)度螺栓，鐵基合金的螺栓標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

本標(biāo)準(zhǔn)提到低強(qiáng)度螺栓只能用于CLASS 150 和CLASS 300。碳鋼低強(qiáng)度螺栓只能用于-29 ～200℃。對(duì)于CLASS 150 的鋼法蘭和CLASS 125 的鑄鐵法蘭法蘭連接時(shí)，如果是RF 面連接，必須要用低強(qiáng)度螺栓；如果是FF 面連接，低強(qiáng)度螺栓、中強(qiáng)度螺栓和高強(qiáng)度螺栓都可以用。對(duì)于CLASS 300 的鋼法蘭和CLASS 250 的鑄鐵法蘭法蘭連接時(shí)，如果是RF 面連接，必須要用低強(qiáng)度螺栓；如果是FF 面連接，低強(qiáng)度螺栓、中強(qiáng)度螺栓和高強(qiáng)度螺栓都可以用。

表2 螺栓標(biāo)準(zhǔn)列表：適用于ASTM [6]Table 2 List Of Bolting Specifications： Applicable ASTM Specifications

本標(biāo)準(zhǔn)提到CLASS 150 的法蘭如果使用纏繞墊，配套法蘭建議用帶頸對(duì)焊法蘭或者松套法蘭。

比作秀更可怕的是作假。前段時(shí)間，河南平頂山有人向媒體反映，因?yàn)榭諝赓|(zhì)量惡化，當(dāng)?shù)卣块T(mén)強(qiáng)制市區(qū)范圍內(nèi)的十幾家加油站限制加油時(shí)間，想加油只能在晚上7點(diǎn)以后，早上8點(diǎn)之前，同時(shí)這些加油站要在年底前完成搬遷。

1.2.2 美國(guó)水行業(yè)法蘭標(biāo)準(zhǔn)AWWA C207

本標(biāo)準(zhǔn)是美國(guó)水行業(yè)用的法蘭標(biāo)準(zhǔn)，適用于水行業(yè)的低壓力常溫的工況，在我國(guó)石化行業(yè)中也常用在循環(huán)冷卻水和生產(chǎn)給排水管道中。

以下介紹本標(biāo)準(zhǔn)在使用過(guò)程中會(huì)遇到的一些問(wèn)題及注意事項(xiàng)。

本標(biāo)準(zhǔn)中法蘭的壓力等級(jí)分為CLASS B， CLASS D， CLASS E， CLASS F。 其 中CLASS B， CLASS D， CLASS E 的法蘭是可以和ASME B16.5和ASME B16.47 系列A 的CLASS 150 法蘭連接的，法蘭螺栓孔中心圓直徑完全一致，法蘭盤(pán)大小稍有幾毫米的差別，不影響連接。從上看出，CLASS B， CLASS D， CLASS E 的墊片和ASME B16.5 和ASME B16.47 系列A 的CLASS150 法蘭所配的墊片可以通用。

本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定所有的螺栓螺母材料用A193 B7 和A194 2H。這個(gè)規(guī)定和ASME B16.5 的規(guī)定有些矛盾，按照ASME B16.5，低壓法蘭如果采用RF 面，不應(yīng)該用高強(qiáng)螺栓，但是本標(biāo)準(zhǔn)并沒(méi)有這個(gè)限制，可能考慮水行業(yè)的工況沒(méi)有太大的危險(xiǎn)性。

本標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定法蘭的連接面只有FF 面，但是在本標(biāo)準(zhǔn)墊片列表中又出現(xiàn)了RF 面墊片，不知這個(gè)又作何解釋。

1.2.3 美國(guó)鑄鐵法蘭標(biāo)準(zhǔn)ASME B16.1

本標(biāo)準(zhǔn)是美國(guó)的灰鑄鐵法蘭標(biāo)準(zhǔn)，適用于市政給排水行業(yè)。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)在我國(guó)應(yīng)用較少。

以下介紹本標(biāo)準(zhǔn)在使用過(guò)程中會(huì)遇到的一些問(wèn)題及注意事項(xiàng)。

本標(biāo)準(zhǔn)中法蘭的壓力等級(jí)分為CLASS 25，CLASS 125 和CLASS 250。 其 中CLASS 25 和CLASS 125 的法蘭是可以和ASME B16.5 和ASME B16.47 系列A 的CLASS 150 法蘭連接的，法蘭螺栓孔中心圓直徑除10"差6 mm 外，其他尺寸基本一致，不影響連接，法蘭盤(pán)大小完全一致。CLASS 250 的法蘭是可以和ASME B16.5 的CLASS 300 法蘭連接的，法蘭螺栓孔中心圓直徑基本一致，不影響連接，法蘭盤(pán)大小完全一致，但是由于CLASS 250 的法蘭可以做成RF 面，它的RF 面的外徑和ASME B16.5的CLASS 300 法蘭的RF 面外徑并不相同，CLASS 250 法蘭的RF 面外徑較大，所以當(dāng)CLASS 250 的法蘭和CLASS 300 法蘭連接在選擇RF 面墊片時(shí)，按照ASME B16.5 的的CLASS 300 法蘭來(lái)選擇較合適。

本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定螺栓應(yīng)選用A307 GRADE B 材料，螺栓和螺母可以用方頭和六角頭的，這樣規(guī)定是因?yàn)榛诣T鐵法蘭壓力等級(jí)都不高，所以用低強(qiáng)螺栓并可以采用方頭的。

1.3 歐盟墊片螺栓選用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

歐盟的法蘭標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)在已經(jīng)統(tǒng)一為EN 1092—2018《Flanges and Their Joints-circular Flanges for Pipes Valves， Fittings and Accessories， PN Designated》和EN 1759—2004《Flanges and Their Joints-circular Flanges for Pipes， Valves， Fittings and Accessories， Class Designated》，所以以下介紹的墊片螺栓的選用標(biāo)準(zhǔn)也是圍繞這些法蘭標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

1.3.1 歐盟螺栓選擇標(biāo)準(zhǔn)EN 1515-1—2000

EN 1515-1—2000[9]適 用 于EN 1092—2018 和EN 1759 —2004 的法蘭所用的螺栓選擇。

以下介紹本標(biāo)準(zhǔn)在螺栓選擇過(guò)程中提到的一些注意事項(xiàng)。

本標(biāo)準(zhǔn)列出了各種不同壓力、溫度情況下適用螺栓的材料牌號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)號(hào)，但是選擇的時(shí)候也需要考慮所輸送的介質(zhì)。

本標(biāo)準(zhǔn)附錄A 規(guī)定了全螺紋螺柱的長(zhǎng)度序列要求及粗牙細(xì)牙螺栓的應(yīng)用場(chǎng)合。規(guī)定如下：對(duì)于長(zhǎng)度在80 mm 及以下的螺栓，長(zhǎng)度增加以5 mm 為單位；對(duì)于長(zhǎng)度200 mm 及以下的螺栓，長(zhǎng)度增加以10 mm為單位；對(duì)于長(zhǎng)度200 mm 以上的螺栓，長(zhǎng)度增加以20 mm 為單位。M39 及以上的細(xì)牙螺栓用于化工石化等行業(yè)，M64 及以下的粗牙螺栓用于水行業(yè)。

本標(biāo)準(zhǔn)附錄B 給出了歐盟螺栓材料牌號(hào)和英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)和美國(guó)的牌號(hào)對(duì)應(yīng)。有這個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系，我們?cè)谧鰢?guó)際項(xiàng)目時(shí)，就可以在不同標(biāo)準(zhǔn)體系之間進(jìn)行材料代用。

1.3.2 歐盟螺栓選擇標(biāo)準(zhǔn)EN 1515-2—2001

EN 1515-2—2001[10]規(guī)定了PN 系列的法蘭材料和螺栓材料的組合關(guān)系。

本標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)標(biāo)和美標(biāo)一樣，也是把螺栓分為低強(qiáng)螺栓、中強(qiáng)螺栓和高強(qiáng)螺栓。本標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于法蘭材料和螺栓材料的這種組合在國(guó)標(biāo)和美標(biāo)是都沒(méi)有規(guī)定的，由于我國(guó)現(xiàn)在還沒(méi)有自己的螺栓材料標(biāo)準(zhǔn)，所以我國(guó)可以多借鑒歐盟的螺栓材料標(biāo)準(zhǔn)和螺栓材料選擇標(biāo)準(zhǔn)來(lái)豐富我國(guó)的管法蘭的螺栓標(biāo)準(zhǔn)。

1.3.3 歐盟非金屬墊片標(biāo)準(zhǔn)EN 1514-1—1997

EN 1514-1—1997[11]是配套EN 1092 使用的非金屬墊片標(biāo)準(zhǔn)，壓力等級(jí)可以做到PN 63，尺寸可以做到DN 4000。本標(biāo)準(zhǔn)的非金屬墊片可以做成FF 面、RF 面、凹凸面和榫槽面法蘭所用的形式。

1.3.4 歐盟纏繞墊片標(biāo)準(zhǔn)EN 1514-2—2014

EN 1514-2—2014[12]是配套EN 1092 使用的纏繞墊片標(biāo)準(zhǔn)，壓力等級(jí)可以做到PN 160，尺寸可以做到DN 1000。本標(biāo)準(zhǔn)的纏繞墊片可以做成FF 面、RF面法蘭所用的形式。

以下介紹本標(biāo)準(zhǔn)在使用過(guò)程中會(huì)遇到的一些問(wèn)題及注意事項(xiàng)。

由于本標(biāo)準(zhǔn)壓力等級(jí)只做到PN 160，所以對(duì)于PN 250 及以上的RF 法蘭所用到的纏繞墊在歐盟是什么標(biāo)準(zhǔn)，不得而知。對(duì)于PN 63 以上的凹凸面和榫槽面法蘭如果用到纏繞墊，在EN 1514 中也沒(méi)有找到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。

2 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了中國(guó)、美國(guó)和歐盟關(guān)于法蘭的墊片螺栓選擇的主要相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，從中可以看到，管道法蘭的螺栓選擇，歐盟的標(biāo)準(zhǔn)做得最為完善，螺栓材料種類(lèi)也最多。美國(guó)的螺栓選擇規(guī)定和螺栓材料種類(lèi)相比歐盟更簡(jiǎn)潔一些。中國(guó)的螺栓選擇規(guī)定和螺栓材料基本都是參考美國(guó)和歐盟的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。墊片和螺栓都屬于壓力管道元件，在我國(guó)，它們的設(shè)計(jì)和制造都需要拿到制造許可的單位來(lái)進(jìn)行，因此我國(guó)的墊片螺栓相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的更新也需要聯(lián)合墊片螺栓的制造廠(chǎng)一起來(lái)進(jìn)行，共同來(lái)進(jìn)行墊片螺栓相關(guān)設(shè)計(jì)及材料的研究，尤其是螺栓，早日開(kāi)發(fā)出我們國(guó)家自己的材料標(biāo)準(zhǔn)。