螺栓紧固扭矩计算方法的探讨

2014年第1期摘要：法兰连接是石油化工装置中最常用的连接结构。通常法兰连接螺栓的紧固主要是靠人力来完成，易造成螺栓紧固力不均匀，出现密封泄漏。文中通过对力矩多种计算方法的比较，筛选出一种科学的力矩计算方法，在装置检修中应用效果良好。关键词：螺栓；力矩紧固；扭矩；计算中图分类号：TH131文献标识码：B文章编号：1671-4962（2014）01-0019-03螺栓紧固扭矩计算方法的探讨李涛（大庆石化公司工程质量监督站，黑龙江大庆163714）法兰连接因拆卸、安装方便，是石油化工装置中最常用的连接方法，通常法兰连接螺栓的紧固主要是靠人力来完成，或用加长套管或用锤击，也有用风动扳手，直到紧不动为止，往往造成每条螺栓预紧不均，部分螺栓已经超过屈服极限，早期失效，部分螺栓预力过小，造成法兰泄漏。在实施力矩紧固的过程中，最重要的是如何确定紧固力矩。1螺栓紧固力矩的计算在螺栓连接结构中，由于拧紧扭矩、螺栓预紧力、螺纹公称直径及扭矩系数之间的关系为：T=kMd（1）式中T—拧紧扭矩，N·m；k—扭矩系数；M—螺栓预紧力，kN；d—螺纹公称直径，mm。2扭矩计算中参数的选取原煤价格按350元/t计算，则对锅炉添加燃煤助燃剂后可节约原煤费用1376.06万元/a。3.2添加助燃剂后的药剂成本2007年燃煤总量为1571980t，药剂消耗量为628.792t，药剂价格按9400元/t计算，全年用燃煤助燃剂成本591.06万元。3.3添加助燃剂后的经济效益该厂2007年锅炉添加燃煤助燃剂后年节约成本1376.06-591.06=785万元。随着煤炭价格的继续上浮，添加燃煤助燃剂的经济效益将更加显著。3.4添加助燃剂后的社会效益随着国民经济的不断发展，日常生活生产用电量的需求也在不断上涨，我国电力企业发展已达到高峰。火力发电机组燃料主要以煤为主，使得对煤炭资源的消耗日趋增加。我国已将建设节约型社会做为一项基本国策，提倡广泛开展节能技术研究与应用。向锅炉内添加燃煤助燃剂不但可以提高锅炉效率，减少燃煤消耗量（仅大庆石化公司热电厂每a减少近4万t原煤的消耗），还能起到消烟、脱硫的目的，降低林格曼黑度和SO2排放量，减少对环境的污染，具有一定的环境效益和社会效益。4结论大庆石化公司热电厂通过对锅炉燃煤助燃剂的实际应用，表明该助燃剂能够起到助燃、降低飞灰含碳量和排烟温度、节煤、减轻炉内结焦和环保等作用，对锅炉的安全、经济运行具有明显的效果，可以在电站锅炉上推广应用。参考文献：［1］李青，高山，薛彦廷.火力发电厂节能技术及其应用［M］.北京：中国电力出版社，2007：244-249.［2］周宝欣.火力发电厂生产技术管理［M］.北京：中国电力出版社，2005：121-123.［3］雷铭.发电节能手册［M］.北京：中国电力出版社，2005：292-294.［4］朱川，姜英，丁华.国内燃煤助燃剂的研究进展［J］.煤质技术，2010（4）：41-42.［5］王爱钧.燃煤锅炉的节能技术措施［J］.铁法科技，2006，10（1）：32-34.［6］杨燕.燃煤催化剂的作用机理及对比研究［J］.科技情报开发与经济，2007，17（8）：11-12.［7］于海深，王风彦.节煤添加剂的特性研究［J］.节能，2007（1）：19-22.收稿日期：2014-01-17作者简介：冷传英，女，工程师，1991年毕业于大庆石油化工总厂职工大学，现从事热电厂工艺技术管理工作。炼油与化工REFININGANDCHEMICALINDUSTRY19DOI:10.16049/j.cnki.lyyhg.2014.01.018炼油与化工REFININGANDCHEMICALINDUSTRY第25卷2.1扭矩系数扭矩系数k值反应了螺栓连接紧固过程中施加扭矩和预紧力的关系，是力矩紧固过程中最不好确定的因数。选择过大，计算出的扭矩过大，易造成螺栓或垫片损坏；选择过小，计算出的扭矩过小，达不到垫片密封要求，会造成泄漏［1］。扭矩系数k同螺栓的结构、各摩擦副的摩擦因数有关［1］，计算公式为：k=d22dtan(φ+ρv)+μ3dD30-d30D20-d20（2）ρv=arctanμv（3）式中d2—螺纹中径，mm；d0—螺栓孔直径，mm；φ—螺纹升角，°；ρv—螺纹当量摩擦角，°；μv—螺纹当量摩擦因数；μ—螺母与被连接件支承面间的摩擦因数；D0—螺母支承面的外径，mm。（1）摩擦因数对扭矩系数的影响在扭矩系数计算过程中，需要确定的主要因数是螺纹当量摩擦因数μv和螺母与被连接件支承面间的摩擦因数μ。这两个参数对计算结果影响最大，而且又是难准确选取的参数［1］，一般选择值见表1。表1不同涂层、不同润滑条件下的摩擦因数涂层无氧化镀锌磷化镀镉摩擦因数μvμμvμμvμμvμμvμ无润滑0.40.200.640.340.400.090.200.100.290.17L-AN油0.210.120.450.260.190.100.180.110.210.11钙基润滑脂0.190.130.440.260.170.090.170.110.180.11L-AN油+20%MOS20.130.090.180.090.170.080.160.090.140.06以钢制螺栓和法兰为例，按式（2）计算不同状态下扭矩系数，结果见表2。表2钢制螺栓和法兰扭矩系数涂层无涂层氧化无润滑0.2450.338L-AN油0.1830.275钙基润滑脂0.1850.271L-AN油+20%MOS20.1540.154从表2可以看出，不同涂层、不同润滑条件扭矩系数相差非常大。生产运行中的法兰、螺栓因环境腐蚀造成锈蚀层是非常普遍的现象，特别是在含有硫、氨的大气环境中，法兰、螺生产的锈蚀层非常严重，因此对于扭矩系数的选取影响非常大，因此对此类情况在螺栓紧固前需要做好润滑工作，特别是螺栓清洗工作，正确选择扭矩系数还要在应用中逐步积累经验。（2）螺纹螺距对扭矩系数的影响在扭矩系数计算中有1个参数螺纹升角，这就是相同螺栓公称直径、不同螺距扭矩系数是不同的，下面以M76的螺栓为例计算不同螺距时的扭矩系数，结果见表3。表3不同螺距下的扭矩系数螺距/mmk0.169230.17140.17260.175从表3可以看出，随着螺栓螺距的增加，扭矩系数也在增加，螺距2mm同螺距6mm扭矩系数只相差3.7%，对紧固力矩的计算影响不大，因此螺距对扭矩系数的影响可以忽略。（3）螺母支承面的外径和螺栓孔直径对扭矩系数的影响螺母支承面的外径和螺栓孔直径只影响螺母与法兰支承面之间的摩擦系数，是式（2）的计算结果，对于不同螺母支承面的外径和螺栓孔直径的D30-d30D20-d20，计算结果见表4。表4不同螺距下的扭矩系数d/mm14161820222427303336394245计算结果0.1030.0990.0990.1000.0980.0990.0990.1000.0990.0990.0990.0990.099d/mm52566064687276808590100110120计算结果0.0980.0970.0970.0960.0950.0950.0940.0940.0920.0940.0940.0920.094从表3可以看出，随着螺栓公称直径的增大，D30-d30D20-d20的计算结果呈逐渐减小的趋势，M14的螺栓同M120的结果相差10.3%，因此扭矩系数的选取应考虑螺栓公称直径的影响［2］。（4）其它原因对扭矩系数的影响202014年第1期在实际应用中，还有许多因素影响扭矩系数的选取，如螺母大小的不同、螺栓规格不一致、法兰支承面粗糙或有压痕、螺栓的加工精度等。在运用力矩紧固过程中，要尽量避免这些影响扭矩系数选取的因素，否则会影响螺栓的预紧力，达不到力矩紧固的要求［3］。（5）扭矩系数的选取在扭矩系数计算过程中，螺纹当量摩擦因数和螺母与被连接件支承面间的摩擦因数对扭矩系数影响是最大的，是应首先考虑的因数，其次是螺栓公称直径。因扭矩计算是一个复杂的过程，在生产装置检修中不能逐个去计算，综合考虑以上各因数后，按表5选择扭矩系数。表5扭矩系数的选取摩擦表面状况精加工表面一般加工表面表面氧化镀锌干燥的粗加工表面有润滑0.100.13~0.150.200.18-无润滑0.120.18~0.210.240.220.26～0.30对于相同摩擦表面状况和润滑状态，M27以下的螺栓螺栓适当增大扭矩系数，M52以上的螺栓应适当减小扭矩系数。而且要求在力矩紧固过程中，要对螺母与法兰支承面及螺母与螺栓的螺纹间润滑要到位。3螺栓预紧力的选取在螺紧紧固力矩计算中，螺栓预紧力的选取主要有3种方法。3.1按螺栓屈服强度选取力矩紧固工具制造商提供的紧固力矩，都是按螺栓的屈服强度选取螺栓预紧力，取50%屈服强度下的预紧力进行扭固力矩计算。按屈服强度选择螺栓预紧力，只是考虑螺栓的强度级，且厂商都是按商品级螺栓的等级提供的，螺栓的屈服强度与石油化工行业应用的专用螺栓有出入，同时也没有考虑垫片类型对预力的影响，过大的预紧力会造成垫片压溃，螺栓长期在超过许用应力状态下工作会造成螺栓失效。3.2按螺栓许用应力选取（1）按操作温度下许用应力选取在石油化工设备设计中有许用应力的限制，一般承压设备（包括螺栓）都不允许超过操作温度下许用应力，因为在超过许用应力的条件下长期使用，会造成承压件过早失效，不利于安全生产，因此提出螺栓的预力不能超过操作温度下的许用应力，一般取操作温度下许用应力的90%~95%作为预紧力，计算紧固扭矩［4］。该种计算方法只考虑了螺栓操作温度下的许用应力，也没有考虑垫片是否被压溃。同时，预紧时是在常温下，随着温升过程，一般螺栓会产生松弛，达不到预期的预紧力，会造成法兰泄漏。（2）按常温下许用应力选取为了保证螺栓紧固过程中不超过许用应力，取常温紧固时的螺栓许用应力的90%~95%作为预紧力，可保证在紧固状态下螺栓不超过许用应力，在投用过程中，随着温度升高，螺栓预紧因会有松弛，螺栓的预紧力因会减小，一般也不会超过螺栓操作温度下的许用应力。3.3按GB150法兰计算选取GB150法兰计算中，螺栓所需要面积为达到垫片初始密封的最小预紧力时，按操作温度下螺栓许用应力计算出螺栓的面积。最大预紧力为螺栓所需要面积与选取螺栓面积的平均值下达到操作温度许用应力时的螺栓预紧力。该种方法计算出来的紧固力矩偏小，因为该种计算方法的螺栓预紧力低于操作温度下的许用应力对应的预紧力［5］。4各种方法计算力矩对比以上各中计算方法，在扭矩系数相同的情况下3.1方法计算出的紧固力矩最大，紧固时螺栓所受拉力会超过许用应力，而达到屈服极限的50%左右，长时间运行会造成螺栓屈服而破坏；其次是3.2（2）方法计算的紧固力矩，紧固时螺栓所受拉力为常温许用应力，紧固时螺栓达到屈服强度，升温后后因高温松弛，螺栓所受拉力逐渐减小，一般不会超过操作温度下的许用应力；再次是3.2（1）方法计算的紧固力矩，紧固时螺栓所受拉力为操作温度下许用应力，升温后后因高温松弛，螺栓所受拉力逐渐减小，会低于操作温度下的许用应力；3.3方法计算出的紧固力矩最小，螺栓所受拉力尚未达到操作温度下许用应力，会因紧固力不够，在运行中出现密封失效。因此选择按常温下许用应力选取紧固力，进而计算紧固力矩是比较合理的；选择按操作温度下许用应力选取紧固力，操作温度越高，最终运行时的紧固力越小，易造成密封失效。5结束语李涛.螺栓紧固扭矩计算方法的探讨21炼油与化工REFININGANDCHEMICALINDUSTRY第25卷摘要：炼油厂水冷器中的汽油、柴油和溶剂等介质的渗漏，直接影响循环水场的水质质量。文中分析了不同介质渗漏对水场水质及外观现象的影响规律，并通过实测数据和表观现象，准确地判断渗漏介质的类别，尽快找出生产装置漏点，减少了水场的运营成本。关键词：水冷器；渗漏；检查；判断中图分类号：TQ051文献标识码：B文章编号：1671-4962（2014）01-0022-02循环水水冷器渗漏的判断与维护唐士曼，肖金玲，周升侠，刘金宝（大庆石化公司质量检验中心，黑龙江大庆163711）水冷器是炼