吳秉澤

摘要：2014年我公司中標(biāo)了位于菲律賓北拉瑙省考斯瓦根市4×135MW（凈輸出）燃煤電站以及相關(guān)設(shè)施項(xiàng)目EPC總承包合同，參與了“一帶一路”的建設(shè)大潮中。國外業(yè)主方要求按照美國ASME標(biāo)準(zhǔn)施工。其中，對螺栓扭矩要求嚴(yán)格按照《ASME-PCC-1壓力邊界螺栓法蘭連接裝配指南》附錄O進(jìn)行螺栓扭矩應(yīng)力計算，并考慮目標(biāo)裝配墊片應(yīng)力、法蘭屈服應(yīng)力等。

關(guān)鍵詞：螺栓扭矩;應(yīng)力計算;目標(biāo)裝配墊片應(yīng)力;法蘭屈服應(yīng)力

0 ?引言

目前，國家倡導(dǎo)“一帶一路”政策，讓中國企業(yè)“走出去”，很多工程企業(yè)在海外項(xiàng)目中施工標(biāo)準(zhǔn)也不再是常用的國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，多數(shù)國外業(yè)主會要求按照美國ASME標(biāo)準(zhǔn)施工。其中，對螺栓扭矩要求嚴(yán)格按照《ASME-PCC-1壓力邊界螺栓法蘭連接裝配指南》附錄O進(jìn)行螺栓扭矩計算。

本附錄的目的是為確定適當(dāng)?shù)难b配螺栓應(yīng)力提供指導(dǎo)，同時適當(dāng)考慮接頭的完整性。本附錄中規(guī)定的詳細(xì)程序適用于法蘭接頭，法蘭接頭采用受控裝配方法。對簡單方法和聯(lián)合組件方法都作了規(guī)定。

1 ?定義

《ASME-PCC-1壓力邊界螺栓法蘭連接裝配指南》附錄O所述螺栓扭矩計算公式需要用到的相關(guān)參數(shù)符號、名稱及單位表示，見表1。

2 ?扭矩計算方法

螺栓扭矩的計算需要考慮現(xiàn)場應(yīng)用指定螺栓應(yīng)力所涉及的實(shí)用性。附錄O介紹了兩種方法：

①簡單的單裝配螺栓應(yīng)力方法。這種方法使用更簡單，但可能導(dǎo)致接頭組件損壞。

②比較復(fù)雜的基于聯(lián)合部件的辦法，這種方法考慮到每個部件的完整性。

為了確定所有法蘭上的標(biāo)準(zhǔn)裝配螺栓應(yīng)力，應(yīng)當(dāng)至少考慮給定墊片類型的目標(biāo)墊片應(yīng)力SgT。如果認(rèn)為有必要，還可以考慮關(guān)于聯(lián)合組件方法所概述的其他完整性問題。

3 ?接頭組件方法

在使用關(guān)節(jié)部件法計算適當(dāng)?shù)难b配螺栓應(yīng)力之前，必須知道幾個值。

①在裝配墊片應(yīng)力和墊片工作溫度下的最大允許法蘭旋轉(zhuǎn)（？覫gmax）必須從工廠測試數(shù)據(jù)或墊片制造商處獲得。目前還沒有確定這個值的標(biāo)準(zhǔn)測試;然而，膨脹聚四氟乙烯墊圈的典型極限從0.3°到典型石墨填充金屬墊圈的1.0°不等。根據(jù)使用所述墊圈類型的給定服務(wù)中法蘭當(dāng)前存在的旋轉(zhuǎn)量的計算，可以為給定位置確定適當(dāng)?shù)臉O限。

②最終用戶必須選擇最大允許螺栓應(yīng)力（Sbmax）。這個值的目的是消除在裝配過程中對螺栓或裝配設(shè)備的損壞，并且可能因現(xiàn)場而異。它通常在常溫下螺栓屈服應(yīng)力的40%到70%之間。

③最終用戶必須選擇最小允許螺栓應(yīng)力（Sbmin）。此值旨在提供一個較低的極限，以便螺栓不準(zhǔn)確不會成為指定的裝配螺栓應(yīng)力Sbsel的重要部分。該值一般在常溫下螺栓屈服應(yīng)力的20～40%之間。

④法蘭的最大允許螺栓應(yīng)力（Sfmax）必須根據(jù)特定的法蘭配置確定。這可以用彈性閉型解或彈塑性有限元分析來發(fā)現(xiàn)。此外，在計算極限時，還應(yīng)確定法蘭在該負(fù)載下的旋轉(zhuǎn)（？覫fmax）。附錄O列出了用于彈性閉合形式解和彈塑性有限元解的法蘭極限荷載實(shí)例。

⑤靶組件墊片應(yīng)力（SgT）應(yīng)由最終用戶與密封墊制造商協(xié)商確定。目標(biāo)墊片應(yīng)力應(yīng)選擇在可接受的墊片應(yīng)力范圍的上端，因?yàn)檫@將提供最大的緩沖區(qū)，防止接縫泄漏。

⑥墊片最大許用應(yīng)力（Sgmax）必須從工廠測試數(shù)據(jù)或墊片制造商處獲得。這個值是裝配溫度下的最大壓縮應(yīng)力，基于全密封墊面積，密封墊能夠承受，對密封墊元件沒有永久損傷（過度泄漏或缺乏彈性恢復(fù)）。所提供的任何值都應(yīng)考慮法蘭旋轉(zhuǎn)對法蘭類型的影響，這種法蘭類型在增加外徑上的局部墊圈應(yīng)力時應(yīng)予以考慮。

⑦最小墊片預(yù)緊應(yīng)力（Sgmin-s）必須從工廠測試數(shù)據(jù)或墊圈制造商處獲得。該值是在裝配溫度下的最小推薦壓縮應(yīng)力，并基于整個密封墊區(qū)域。該值是密封墊應(yīng)裝配到的應(yīng)力，以便獲得足夠的重新分配任何填料材料，并確保密封墊和法蘭面之間的初始密封。

⑧最小墊片運(yùn)行應(yīng)力（Sgmin-o）必須從工廠測試數(shù)據(jù)或墊片制造商處獲得。這個值是在運(yùn)行過程中推薦的最小壓縮應(yīng)力，并基于整個密封墊區(qū)域。這是密封墊的應(yīng)力，應(yīng)保持在密封墊運(yùn)行期間，以確保不會發(fā)生泄漏。

⑨密封墊松弛率（φg）也必須從工業(yè)測試數(shù)據(jù)或密封墊制造商處獲得，用于與正在評估的法蘭配置類似的密封墊。如果沒有可用的數(shù)據(jù)，可以使用默認(rèn)值0.7。

在確定上述參數(shù)范圍后，即可對每個計算使用以下公式。這個公式可以編制電子表格公式或軟件程序來執(zhí)行，這樣可以不用一個一個計算，而是同時得出許多值。

步驟1：根據(jù)式（O-1）確定目標(biāo)螺栓應(yīng)力。

步驟2：確定螺栓上限是否受控

Sbsel=min.（Sbsel，Sbmax） ? （O-4）

步驟3：確定螺栓下限是否受控

Sbsel=max.（Sbsel，Sbmin） ? （O-5）

步驟4：確定法蘭極限是否受控

Sbsel=min.（Sbsel，Sfmax） ? （O-6）

步驟5：檢查墊圈總成閥座應(yīng)力是否達(dá)到要求。

Sbsel≥Sgmin-s[Ag/（Abnb）]（O-7）

步驟6：檢查墊圈的工作壓力是否保持不變。

Sbsel≥（Sgmin-oAg+π/4PmaxGI.D.2）/（ψgAbnb） ? ? （O-8）

步驟7：檢查墊圈是否超過最大應(yīng)力。

Sbsel≤Sgmax[Ag/（Abnb）]（O-9）

步驟8：檢查法蘭旋轉(zhuǎn)極限是否超出。

Sbsel≤Sfmax （θgmax/θfmax） ? ?（O-10）

如果計算過程中，超過了最后的檢查步驟5到步驟8其中一項(xiàng)，那么應(yīng)該判斷確定哪個控制極限對完整性更重要，從而選擇合適的螺栓負(fù)載。然后可以使用公式（O-2M）或（O-2）計算裝配螺栓扭矩值表。

對于步驟4，需要注意的是，在某些情況下（如高溫不銹鋼法蘭），法蘭的屈服強(qiáng)度在運(yùn)行過程中可能會顯著降低。在這種情況下，法蘭極限應(yīng)根據(jù)比例（SfmaxSyo/Sya）降低。要確定是否必須進(jìn)行這種調(diào)整，一個有用的比率是將減少量與松弛發(fā)生量進(jìn)行比較，如果減少量比松弛量大，則應(yīng)包括這種影響。檢驗(yàn)表示如下：如果（1-Syo/Sya）>1.25φg，則應(yīng)包括縮減因素。

對于步驟6，要注意，這種簡單的處理沒有考慮到由于部件彈性相互作用而在運(yùn)行過程中螺栓載荷的變化。

4 ?計算樣例

選取SA-105鋼法蘭、SA-193 B7鋼螺栓、帶內(nèi)環(huán)纏繞墊裝配螺栓扭矩，NPS 6 600型法蘭在常溫下工作，螺母系數(shù)取0.15。其對應(yīng)螺栓個數(shù)為12個，直徑1英寸。螺紋根部直徑為0.838英寸。

Ab=π*0.838^2/4≈0.5515in.2

nb=12

A=6.618 in.2

通常墊片內(nèi)外徑由廠家提供，這里我們采用ASME規(guī)范中提供的NPS6 600內(nèi)徑為6.88英寸，外徑為8.25英寸，由π/4 （GO.D.2-GI.D.2）]公式計算得 Ag=16.28in.2

ψb= 1 in.

從《ASME B16.5》標(biāo)準(zhǔn)查得Pmax.=1480.8353 psig （1.48 ksi）。

ψg = 0.7

GI.D.=6.88 in.

Determine Bolt Stress：

Equation （O-1）： Sbsel = 30×（16.28/6.618） = 73.8 ksi

A193 Gr. B7（ =<2.5）螺栓屈服強(qiáng)度為105000 psi，通常，Sb max 取屈服強(qiáng)度的70%，Sbmin取屈服強(qiáng)度的20%。

Equation （O-4）： Sbsel = min. （73.8， 73.5） = 73.5 ksi

Equation （O-5）： Sbsel = max. （73.5， 21） = 73.5 ksi

由ASME PCC-1 Table O-2： Sfmax = 84 ksi （默認(rèn)Syo = Sya）

Equation （O-6）： Sbsel = min. （73.5， 84） = 73.5 ksi

Additional Checks：

Equation （O-7）： Sbsel ≥ 10 （16.28/6.618） ≥ 24.6 ksi √

Equation （O-8）： Sbsel ≥ （6.0 × 16.28 + π/4 ×1.48 ×6.882）/（0.7 ×6.618） ≥33 ksi √

Equation （O-9）： Sbsel ≤ 30 （16.28/6.618） ≤ 73.8 ksi √

Table O-4： θfmax = 0.3 deg

θgmax = 1

Equation （O-10）： Sbsel ≤84 （1.0/0.3） ≤ 280 ksi √

Equation （O-2）： Tb = 73500 × 0.15 ×0.5515×1/12

Tb ≈ 505 ft-lb （扭矩四舍五入接近5 ft-lb）

注意，對于某些法蘭（例如NPS 8，等級150），附加的限制（O-7）無法滿足。在這種情況下，應(yīng)該使用設(shè)計判斷來確定哪個極限對接頭的完整性更重要，并相應(yīng)地修改Sbsel的值。應(yīng)該指出，所提出的數(shù)值并不是硬性限制（即，如果墊圈應(yīng)力低于極限0.1psi，則不會發(fā)生法蘭泄漏），因此，在使用這些值時有一些余地被認(rèn)為是正常的。

5 ?法蘭限制

①已經(jīng)確定了一系列的彈性分析極限，允許計算將導(dǎo)致法蘭永久變形的近似裝配螺栓應(yīng)力。由于該螺栓應(yīng)力近似，且法蘭材料屈服傾向于下界，因此在不修改或附加安全系數(shù)的情況下使用這些極限被認(rèn)為是合適的。

②采用彈塑性非線性有限元分析（FEA）方法對裝配螺栓載荷進(jìn)行分析，是確定裝配螺栓載荷極限更為準(zhǔn)確的方法。在WRC公告528中概述了執(zhí)行這種分析的需求。無需重新分析接頭配置的微小變化（如不同的墊圈尺寸或法蘭材料屈服強(qiáng)度的微小變化），利用墊圈力矩臂的變化率或不同屈服強(qiáng)度的比值進(jìn)行線性插值，即可估算新情況下裝配螺栓應(yīng)力極限。

6 ?結(jié)語

接頭組件方法在簡單方法的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮了法蘭接頭中各個元件的極限承載能力、保證密封需要的墊片應(yīng)力、所有操作載荷和墊片松弛等情況，從而防止墊片破碎，大大降低了法蘭接頭泄露事故。

參考文獻(xiàn)：

[1]ASME PCC-1-2010，Guidelines for Pressure Boundary Bolted Flange Joint Assembly[S].

[2]ASME PCC-1-2000，Guidelines for Pressure Boundary Bolted Flange Joint Assembly[S].

[3]關(guān)凱書，王志文，蔡仁良.ASME PCC-1-2010《壓力邊界螺栓法蘭連接安裝指南》的解析[J].壓力容器，2011，12（8）：41-47.