姜 峰，吳晨輝，黃 鑫

（蘭州理工大學(xué) 石油化工學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

螺栓法蘭連接是一種可拆卸的靜態(tài)連接結(jié)構(gòu)，廣泛用于壓力容器、石油化工設(shè)備和管路中。法蘭螺栓裝配系統(tǒng)的主要缺陷形式是泄漏，螺栓緊固是確保裝配曲面不泄漏的重要環(huán)節(jié)之一。在螺栓聯(lián)接中，螺栓裝配時(shí)必須擰緊，也就是說(shuō)，螺栓在裝配承受工作載荷之前必須承受一個(gè)力，這種預(yù)添加的力稱為緊固力，其目的是提高聯(lián)接器的可靠性和強(qiáng)度，以避免聯(lián)接器之間出現(xiàn)裂紋或相對(duì)滑動(dòng)[1]。就目前常用的兩類螺栓預(yù)緊力計(jì)算方法分別是：一類是傳統(tǒng)的基于Taylor-Forge法的，以ASMEⅧ-1法蘭設(shè)計(jì)規(guī)范中華脫爾斯法（Waters法）計(jì)算方法為代表[2-3]；另一類是有別于Taylor法的歐盟法蘭設(shè)計(jì)方法，以EN13445附錄G--法蘭設(shè)計(jì)另一方法中螺栓預(yù)緊力計(jì)算力方法為代表[4-5]。本文利用正交試驗(yàn)[6]來(lái)研究并比較兩種螺栓預(yù)載計(jì)算方法的差異，它還研究了法蘭公稱直徑、設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度和墊片類型等因素對(duì)螺栓預(yù)載的影響。

1 正交測(cè)試設(shè)計(jì)及其結(jié)論

使用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法分析標(biāo)稱壓力為4MPa的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)頸對(duì)接焊縫法蘭，以研究公稱直徑、設(shè)計(jì)溫度、設(shè)計(jì)壓力和墊片類型等因素對(duì)螺栓預(yù)緊力的影響。法蘭材料為16MnII，螺栓材料為35CrMoA，所有墊片均為扁平墊片。試驗(yàn)表選取L9（34）即公稱直徑、設(shè)計(jì)溫度、設(shè)計(jì)壓力、墊片種類四個(gè)因素，同時(shí)公稱直徑選取400mm、1200mm、2000mm三個(gè)水平；設(shè)計(jì)溫度選取20℃、150℃、300℃三個(gè)水平；設(shè)計(jì)壓力選取 2.6MPa、3.0MPa、3.4MPa 三個(gè)水平； 墊片類型包括:非金屬墊-無(wú)金屬內(nèi)嵌膨脹石墨；金屬墊層-石墨外包和嵌入的軟鋼；柔性和卷筒墊層-帶支承環(huán)的石墨內(nèi)部涂層。

4因素水平正交試驗(yàn)3采用L9(34)正交表，研究各因素對(duì)螺栓擰緊力的影響。正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)見(jiàn)表1。

通過(guò)正交試驗(yàn)分析各因素對(duì)EN1591-1方法螺栓預(yù)緊力的影響，由上表可以看出各因素的重要性依次為：DN＞P墊片種類＞T。進(jìn)一步可得法蘭公稱直徑對(duì)EN1591-1方法螺栓預(yù)緊力影響最大，實(shí)際上，隨著公稱法蘭直徑的增加，螺栓數(shù)會(huì)增加，螺栓的總預(yù)緊力等級(jí)也會(huì)增加得更快。設(shè)計(jì)壓力對(duì)于螺栓預(yù)緊力的影響水平與法蘭公稱直徑相差無(wú)幾，因而在生產(chǎn)實(shí)際中法蘭接頭螺栓的緊固安裝時(shí)需要著重考慮其設(shè)計(jì)壓力。

同時(shí)，螺栓剛性預(yù)緊力的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表1，表2。

另一方面，通過(guò)正交試驗(yàn)分析各因素對(duì)螺栓上預(yù)緊力的影響，由上表結(jié)果可知，各因素的重要性依次為：P＞DN＞T＞墊片種類。可以看到，對(duì)法蘭接頭中每個(gè)螺栓的預(yù)緊力的影響最大的是設(shè)計(jì)壓力。四個(gè)因素的影響因素差異較小，表明這四個(gè)因素對(duì)螺栓應(yīng)力的影響更重要。華脫爾斯法（Waters法）螺栓預(yù)緊力的影響因素的趨勢(shì)與上述的四個(gè)因素的影響規(guī)律類似，因此不再重新說(shuō)明。

表1 L9(34)螺栓夾緊力正交表

表2 L9（34）正交表

2 計(jì)算法蘭算例

使用螺栓預(yù)緊力計(jì)算軟件分別應(yīng)用EN1591-1法和華脫爾斯法計(jì)算預(yù)緊力，該軟件是根據(jù) 《NB-T 47020-47027-2012(合集）壓力容器法蘭、墊片、緊固件》[7]選擇標(biāo)準(zhǔn)a平法蘭、標(biāo)準(zhǔn)b平法蘭和標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)頸對(duì)接焊縫法蘭而創(chuàng)建的。為了為工程法蘭螺栓的實(shí)際安裝提供一定的理論參考，比較兩種方法的夾緊力計(jì)算結(jié)果之間的差異，并分析公稱直徑、法蘭壓力和溫度以及密封連接類型等因素對(duì)螺栓預(yù)緊力的影響規(guī)律。

2.1 平板焊接法蘭甲型

采用不同公稱直徑(NBT47021—2012)的端對(duì)端焊接法蘭，公稱壓力為1MPa，組裝不同材料的密封接頭，計(jì)算不同工作狀態(tài)下螺栓的夾緊力，工作狀態(tài)和變化值見(jiàn)表3。法蘭和連接材料為Q345R，螺栓材料為#35鋼。

表3 變量表和工況

使用以下控制變量方法研究不同的公稱直徑、設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度和接頭類型對(duì)預(yù)緊力的影響:

將設(shè)計(jì)溫度調(diào)整為75℃，設(shè)計(jì)壓力調(diào)整為1.0 MPa，使用EN1591-1方法和華脫爾斯方法計(jì)算不同直徑標(biāo)準(zhǔn)a型平焊法蘭裝配不同材料墊片連接時(shí)螺栓預(yù)緊力的結(jié)果如圖1所示，帶有二次多項(xiàng)式擬合y=A+BX+CX2。

圖1 預(yù)緊力計(jì)算結(jié)果

隨著法蘭公稱直徑的增大，EN1591-1方法和華脫爾斯法螺栓預(yù)載量不斷增加。采用不同的的乙烯墊片時(shí)，EN1591-1方法和華脫爾斯法計(jì)算結(jié)果相近似；使用不同的橡膠墊時(shí)，華脫爾斯法預(yù)緊結(jié)果大于EN1591-1方法的預(yù)緊結(jié)果。由上圖可以明顯的看出，墊片類型不同時(shí)，EN1591-1方法計(jì)算的值差異比較大，而對(duì)于華脫爾斯法而言，墊片的類型對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響較小。這是因?yàn)閷?duì)于墊片參數(shù)而言，EN1591-1計(jì)算方法比華脫爾斯計(jì)算方法要求更加嚴(yán)格，而且材料的差異可能會(huì)產(chǎn)生不同的結(jié)果。

將法蘭公稱直徑設(shè)置為600mm，設(shè)計(jì)溫度為75℃，使用EN1591-1法和華脫爾斯方法計(jì)算在所有設(shè)計(jì)壓力下用不同的材料墊圈裝配標(biāo)準(zhǔn)法蘭時(shí)螺栓預(yù)緊力結(jié)果，如圖2所示。

圖2 螺栓預(yù)緊力計(jì)算結(jié)果

隨著設(shè)計(jì)壓力的增加，EN1591-1法和華脫爾斯法的螺栓預(yù)壓力增加，設(shè)計(jì)壓力對(duì)這兩種方法螺栓預(yù)壓的影響可以完全符合線性公式y(tǒng)=a+bx。也就是說(shuō)，則以兩種方式計(jì)算的螺栓預(yù)載與設(shè)計(jì)壓力成比例，但必須符合相同的參數(shù)，例如工作條件和材料。華脫爾斯法預(yù)緊力在不同設(shè)計(jì)壓力下的計(jì)算結(jié)果均高于EN1591-1法計(jì)算值。

將法蘭公稱直徑設(shè)置為600mm，設(shè)計(jì)壓力設(shè)置為1.0MPa，使用EN1591-1方法和華脫爾斯方法計(jì)算在每種設(shè)計(jì)溫度下使用不同的材料墊圈裝配標(biāo)準(zhǔn)平板焊接法蘭a時(shí)螺栓預(yù)緊力的結(jié)果，如圖3所示。

圖3 預(yù)緊力計(jì)算結(jié)果

EN1591-1法與華脫爾斯法螺栓預(yù)緊力均隨設(shè)計(jì)溫度的增加而線性增加，也就是說(shuō)，兩種方法計(jì)算的螺栓預(yù)緊力與處于相同工作狀態(tài)、材料等下的設(shè)計(jì)溫度成正比。并且華脫爾斯方法的計(jì)算值略高于EN1591-1法計(jì)算值。

2.2 平板焊接法蘭乙型

選擇標(biāo)稱直徑2.5MPa(NBT47022—2012)以外的標(biāo)準(zhǔn)軟b法蘭組裝不同類型的密封聯(lián)接，計(jì)算不同工作狀態(tài)下螺栓的預(yù)緊力，工作狀態(tài)和變數(shù)值見(jiàn)表 4。法蘭材料為 16MnII，連接氣缸材料為16MnR，螺栓材料為40MnB，密封接頭均為平密封接頭。

表4 變量表和工作狀況

使用控制變量方法研究各種公稱直徑、設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度和墊片類型對(duì)預(yù)壓的影響。設(shè)定設(shè)計(jì)溫度200℃，設(shè)計(jì)壓力2.5MPa，并使用EN1591-1方法和華脫爾斯方法計(jì)算直徑不同的標(biāo)準(zhǔn)b型平焊法蘭的螺栓預(yù)載尺寸，如圖4所示。

圖4 不同DN預(yù)緊力

如圖所示，隨著法蘭公稱直徑的增加，兩種方法的螺栓預(yù)緊力趨于增大，若應(yīng)用EN1591-1方法計(jì)算螺栓預(yù)緊力，無(wú)外包層金屬包墊相對(duì)于其他類型的墊片而言，計(jì)算結(jié)果差異較大；密封接頭類型的差異對(duì)于華脫爾斯法螺栓的預(yù)緊力影響不大。

將法蘭公稱直徑800mm、設(shè)計(jì)溫度200℃，使用EN1591-1法和華脫爾斯方法計(jì)算螺栓預(yù)緊力大小，當(dāng)設(shè)計(jì)法蘭乙型裝配不同類型的密封聯(lián)接時(shí)，結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同設(shè)計(jì)壓力螺栓預(yù)緊力

由圖可知，隨著設(shè)計(jì)壓力的增加，用EN1591-1方法計(jì)算的螺栓預(yù)緊力和采用華脫爾斯方法計(jì)算的螺栓預(yù)緊力也隨之增加。對(duì)于無(wú)外包層金屬包墊-（軟）銅或黃銅色石墨墊，當(dāng)采用EN1591-1方法計(jì)算螺栓的預(yù)緊力時(shí)，不同的設(shè)計(jì)壓力對(duì)預(yù)緊力計(jì)算值的影響不大，甚至在設(shè)計(jì)壓力為2.5MPa時(shí)預(yù)緊力計(jì)算值會(huì)發(fā)生突變。對(duì)于其他的墊片，比如非金屬墊、有外包層金屬包墊和有內(nèi)填層的纏繞墊，預(yù)緊力跟設(shè)計(jì)壓力呈線性關(guān)系。無(wú)論墊片是何種類型，華脫爾斯法螺栓預(yù)緊力與設(shè)計(jì)壓力均成線性關(guān)系。

創(chuàng)建法蘭公稱直徑800mm，設(shè)計(jì)壓力2.5MPa，根據(jù)EN1591-1方法和華脫爾斯方法，在裝配不同類型的密封連接時(shí)計(jì)算螺栓的預(yù)緊力，設(shè)計(jì)溫度標(biāo)準(zhǔn)不同。結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同設(shè)計(jì)溫度螺栓預(yù)緊力

由圖可知，組裝無(wú)外層(軟)銅或黃銅外殼石墨的金屬密封接頭時(shí)，螺栓的夾緊力是固定值，不會(huì)隨設(shè)計(jì)壓力的增加而改變，并且比其他密封接頭的預(yù)緊力值大得多。法蘭在裝配其他墊片時(shí)，兩種方法螺栓預(yù)緊力均隨著設(shè)計(jì)壓力的增加而增大。

2.3 長(zhǎng)頸型法蘭

選擇標(biāo)稱壓力為4MPa的標(biāo)準(zhǔn)直徑(NBT47023—2012)端對(duì)端焊接法蘭，組裝不同類型的墊圈，計(jì)算不同工作狀態(tài)下螺栓的預(yù)緊力，工作狀態(tài)和變數(shù)值見(jiàn)表1。法蘭材料為16MnII，連接氣缸材料為16MnR，螺栓材料為35CrMoA，密封接頭均平整。

使用控制變量方法研究各種公稱直徑、設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度和墊片類型對(duì)預(yù)壓的影響。

設(shè)置設(shè)計(jì)溫度為300℃，設(shè)計(jì)壓力為3.4MPa并裝配不同類型的墊片時(shí)，分別使用EN1591-1方法和華脫爾斯方法計(jì)算不同公稱直徑的長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭的預(yù)緊力值。結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同公稱直徑螺栓預(yù)緊力

由圖可知，EN1591-1方法類似于華脫爾斯方法的螺栓預(yù)緊變化，隨著法蘭公稱直徑的加大而加大。同時(shí)可以看出墊片類型對(duì)兩種方法的螺栓預(yù)緊影響不大。EN1591-1法計(jì)算值略低于華脫爾斯預(yù)緊力值。

建立公稱直徑為1200mm的長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭，設(shè)計(jì)溫度為300℃，使用EN1591-1法和華脫爾斯方法計(jì)算在不同設(shè)計(jì)壓力下組裝不同類型密封聯(lián)接時(shí)螺栓的預(yù)緊力大小，結(jié)果如圖8所示:

圖8 不同設(shè)計(jì)壓力螺栓預(yù)緊力

如圖所示，隨著設(shè)計(jì)壓力的增大，用EN1591-1方法計(jì)算的螺栓預(yù)緊力和用華脫爾斯方法計(jì)算的螺栓的預(yù)緊力也隨之增加。無(wú)外包層金屬包墊-（軟）銅或黃銅包石墨墊片相對(duì)于其他的金屬或非金屬墊以及有內(nèi)填層的纏繞墊而言，若用EN1591-1方法計(jì)算的螺栓預(yù)緊力時(shí)，前者在設(shè)計(jì)壓力小于3.0MPa時(shí)，設(shè)計(jì)壓力的變化值不會(huì)對(duì)螺栓預(yù)緊力產(chǎn)生影響，當(dāng)設(shè)計(jì)壓力大于3.0MPa時(shí)，隨著設(shè)計(jì)壓力的增大，螺栓預(yù)緊力也在增大。總體而言，不論是EN1591-1計(jì)算方法還是華脫爾斯計(jì)算方法，采用不同的密封墊片，隨著設(shè)計(jì)壓力的增大，螺栓的預(yù)緊力也呈線性增加，華脫爾斯法計(jì)算值要高于EN1591-1計(jì)算值。

建立公稱直徑1200mm長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭，設(shè)計(jì)壓力3.4MPa，使用EN1591-1方法和華脫爾斯方法計(jì)算在不同溫度下組裝不同類型密封聯(lián)接時(shí)螺栓的預(yù)緊力大小。結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同設(shè)計(jì)溫度螺栓預(yù)緊力

由圖可知，上面的四墊片螺栓預(yù)緊變化趨勢(shì)與EN1591-1方法類似，華脫爾斯方法上面的三墊片螺栓預(yù)緊力變化規(guī)律基本相同，螺栓預(yù)緊載荷隨設(shè)計(jì)溫度的升高而增加。華脫爾斯法預(yù)緊力值略高于EN1591-1法計(jì)算值。

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)壓力容器法蘭執(zhí)行螺栓預(yù)緊力計(jì)算，將兩種方法進(jìn)行比較，結(jié)果表明華脫爾斯方法螺栓預(yù)緊力值總體上高于EN1591-1方法螺栓預(yù)緊力值。以這兩種方式計(jì)算的螺栓預(yù)緊力均會(huì)隨著法蘭公稱直徑、設(shè)計(jì)壓力和設(shè)計(jì)溫度的增加而加大。在保持其它工作條件的情況下，對(duì)于乙型對(duì)接法蘭和對(duì)接法蘭，EN1591-1法螺栓和華脫爾斯法螺栓預(yù)緊力基本上是相對(duì)于設(shè)計(jì)壓力線性的。還可以看出，不同類型的密封圈對(duì)螺栓預(yù)緊力的影響更為明顯，對(duì)華脫爾斯法螺栓預(yù)緊力的影響較小。

3 結(jié)論

1）法蘭公稱直徑、設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度和墊片類型等元素對(duì)螺栓預(yù)緊力的影響，可通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法直觀地表示。依據(jù)法蘭公稱直徑增加。由于螺栓數(shù)的增加，會(huì)增加整個(gè)螺栓預(yù)緊力，因此法蘭公稱直徑對(duì)整個(gè)螺栓預(yù)緊力的影響最大，但設(shè)計(jì)壓力對(duì)每個(gè)螺栓預(yù)緊力的影響高于其他三個(gè)因素。

2）比較標(biāo)準(zhǔn)壓力貯器法蘭上的螺栓預(yù)緊力計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)華脫爾斯法螺栓預(yù)緊力大于EN1591-1法螺栓預(yù)緊力值。兩種計(jì)算方法都可以隨著法蘭公稱直徑、設(shè)計(jì)壓力和設(shè)計(jì)溫度的增加而增加螺栓的預(yù)緊力。

3）當(dāng)其他操作條件保持不變時(shí)，對(duì)于甲型平焊法蘭，螺栓預(yù)緊力與設(shè)計(jì)壓力和設(shè)計(jì)溫度成正比；對(duì)于乙型平焊法蘭和長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭，EN1591-1法螺栓預(yù)緊力和華脫爾斯法型螺栓預(yù)緊力基本上是相對(duì)于設(shè)計(jì)壓力成線性關(guān)系。同時(shí)，可以看出不同類型的墊片對(duì)EN1591-1法螺栓擰緊力的影響較明顯，對(duì)華脫爾斯法螺栓預(yù)緊力的影響較小。