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合理的螺栓预紧力对法兰连接的重要性

分类:
常见问题
作者:
两天前
【摘要】:
由于生产操作上的需要以及制造、安装、检修、运输的方便, 容器经常做成可拆卸的结构, 法兰连接是最常见的可拆卸连接结构。法兰连接除了满足法兰强度、刚度的要求外, 还要保证在操作工况下法兰面之间不发生泄漏。法兰连接依靠螺栓压紧法兰, 从而把垫片压紧达到密封效果。所以, 事先要施加给螺栓多大的预紧力对法兰满足以上要求有相当重要的作用。

法兰螺栓

 

 

  由于生产操作上的需要以及制造、安装、检修、运输的方便, 容器经常做成可拆卸的结构, 法兰连接是最常见的可拆卸连接结构。法兰连接除了满足法兰强度、刚度的要求外, 还要保证在操作工况下法兰面之间不发生泄漏。法兰连接依靠螺栓压紧法兰, 从而把垫片压紧达到密封效果。所以, 事先要施加给螺栓多大的预紧力对法兰满足以上要求有相当重要的作用。

 

  1 法兰密封条件

 

  法兰面之间不发生泄漏,螺栓预紧时必须满足以下两个条件:

 

  1)在预紧状态下,当拧紧法兰螺栓时,螺栓力通过法兰把垫片压紧,迫使垫片产生压缩变形来填满法兰密封面上的凹凸不平面,以阻止界面泄漏[1]。此时保证不泄露的最小垫片压紧力为Fa=3.14DGby[2],螺栓预紧力应大于等于Fa ;

 

  2)在操作状态下,容器承受内压后,螺栓受到拉伸应力而伸长,法兰密封面沿着彼此分离的方向移动,垫片回弹,压缩量减小,垫片与密封面之间压紧力减小[1]。此时保证不泄露的最小垫片压紧力为Fp=6.28DGbmpc[2]。假如不考虑由于内压作用引起法兰密封面的偏转角变大,垫片回弹减少的压紧力,只考虑由于内压作用引起螺栓伸长,垫片回弹减少的压紧力△ F,则螺栓预紧力应大于等于Fp+ △ F[3]。

 

  2 螺栓预紧力对法兰连接的影响

 

  1)对于许多低压容器和要求高压紧力的垫片(例如金属缠绕垫片),往往按预紧状态计算的螺栓预紧力Fa 大于按操作状态计算的螺栓预紧力Fp+ △ F,而且法兰强度由预紧状态下的法兰力矩Ma[2] 决定。预紧状态下的法兰力矩Ma 的计算与螺栓实际面积Ab[2] 有关,其本意是对法兰的过分拧紧(在常温和加内压之前拧紧)提供一定的裕量。但是,盲目的拧紧螺栓,螺栓预紧力过大会导致螺栓因屈服而拉伸或垫片压坏、挤出,从而导致法兰密封面泄漏;螺栓预紧力过小,则垫片产生的压缩变形不足以来填满法兰密封面上的凹凸不平面而产生泄漏。如果采用加大螺栓实际面积Ab 来减小螺栓拉伸应力来提高密封的可靠性,这样会导致设计法兰厚度增加,增加制造成本,不经济。

 

  2)对于许多高压容器和要求低压紧力的垫片(例如橡胶平垫片),往往按操作状态计算的螺栓预紧力Fp+ △ F 大于按预紧状态计算的螺栓预紧力Fa,而且法兰强度由操作状态下的法兰力矩Mp[2] 决定。这种情况下,螺栓预紧力过大除了会导致螺栓因屈服而拉伸或垫片压坏、挤出外,还有可能使原来设计合理的法兰因为力矩增加,从而各项应力增大,导致强度和刚度不够,从而导致法兰密封面泄漏;螺栓预紧力过小,垫片与密封面之间压紧力小于最小垫片压紧力为Fp 而导致泄漏。

 

  3 控制螺栓预紧力的方法

 

  控制螺栓预紧力的方法有力矩法、测量螺栓伸长法、螺母转角法和应变计法等。各种方法的特点和应用如下:力矩法是用测力矩扳手或定力矩扳手控制预紧力,是国内外长期以来应用广泛的控制预紧力的方法。费用低,一般认为误差有±25%。若表面有涂层、支承面,螺纹表面质量较好,力矩扳手示值准确,则误差显著减小,有润滑的控制效果较好。测量螺栓伸长法是用于螺栓在弹性范围内时的预紧力控制。误差在±3%~5%,使用麻烦,费用高。用于特殊需要的场合。

 

  螺母转角法是先把螺栓副拧紧到“紧贴”位置,再转过一定角度。误差在±15%。在美国和德国的汽车工业和钢结构中广泛使用。应变计法是在螺栓的无螺纹部分贴电阻应变片,以控制螺栓杆所受拉力,误差可控制在±1% 以内,但费用昂贵[4]。不同的工况可以采用不同的方法控制螺栓预紧力,比如介质是压缩空气,则可以采用力矩法或螺母转角法;介质是易爆或是高度危害的,则采用测量螺栓伸长法或应变计法比较好。

 

  4 结语

 

  在法兰连接中,螺栓预紧力不仅影响法兰面之间的密封,而且影响法兰的强度、刚度和螺栓的强度。合理的预紧力值,对法兰的连接有相当重要的作用。不同的工况可以采用不同的方法控制螺栓预紧力,即要降低制造成本,又要考虑设备安全。

 

 

 

 

 

 

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