一种高压气瓶阀安装力矩的计算方法*

李彦卿，江澎，卢猛，仝继钢，王抓

(凯迈(洛阳)气源有限公司， 河南 洛阳471009)

摘要：高压气瓶阀在高压气瓶使用中是必不可少的，其安装力矩关系着产品是否可靠密封、设备及人员的安全。安装力矩控制至关重要，螺纹连接的好坏取决于气瓶阀拧紧时产生的预紧力，预紧力过大可能会在螺纹连接处产生应力裂纹而导致断裂，预紧力过小则可能会因密封力不够而导致气体泄漏。基于预紧力的重要性，本文从螺纹连接的受力情况开始分析，确立了螺纹预紧力和密封力矩的线性关系，为工程技术人员提供了一种有效的高压气瓶阀安装力矩的计算方法。

关键词：螺纹连接；安装力矩；预紧力；计算方法

0引言

高压气瓶设计离不开气瓶阀，气瓶阀安装力矩的量化控制是保证密封可靠连接的重要措施。安装力矩控制的关键在于能否掌握扭矩与预紧力的关系，以及预紧力与密封性之间的关系[1]。本文对参考文献相关内容进行了分析总结，并结合企业实践经验，确立了一种通过密封预紧力确定气瓶阀安装力矩的计算方法。

产品结构形式由高压气瓶阀、高压气瓶和密封垫片组成，如图1所示。所示气瓶阀同时受预紧力和轴向气压力，此种结构由于气瓶阀过流作用，要求必须有一定的通径，又不同于大型气瓶法兰式连接形式，没有特定的安装力矩计算公式。

图1　产品结构组成图1.高压气瓶阀　2.密封垫片　3.高压气瓶

1气瓶阀安装过程受力分析

气瓶阀拧紧过程与螺栓螺母拧紧过程相似，拧紧过程受力分析本文参考文献中多有介绍，此文不再详述，拧紧力矩可以简化为以下公式：

T=KF′d

(1)[1-3]

式中：T为气瓶阀的安装力矩N·m；K为拧紧力矩系数，其值见表1所列；F′为预紧力，N；d为螺纹公称直径，mm。

表1　拧紧力矩系数K值

由安装力矩与预紧力呈线性关系的特性可知，通过安装力矩的大小，就可以经试验或理论的方法计算出预紧力值。由于受摩擦系数和几何参数偏差的影响，在一定的安装力矩下，预紧力数值的离散性比较大，因此通过安装力矩来控制预紧力的精度并不是很高，其误差约为±25%左右，最大甚至可达±40%左右[3]。这在高压产品设计时应该加以考虑，应该设计有足够的安全系数来消除误差对安全性的影响。

2气瓶充压后受力分析

气瓶阀在实际工作中，气瓶需填充高压气体，气瓶阀既要受到安装力矩产生的预紧力，又要受到高压气体对气瓶阀的气压力。不能认为预紧力F′和气压力F方向相同，而简单认为总拉力F0就等于两者直接相加。由于气瓶阀螺纹退刀槽与密封垫片的弹性变形．总拉力不等于预紧力F′加气压力F，即F0≠F′+F。由理论分析得：总拉力F0与预紧力F′、气压力F、气瓶阀刚度c1，垫片刚度c2有关．属于静不定问题．可利用静力平衡条件及变形协调求得[4]。

图2(a)为螺纹刚要拧紧、还未拧紧，螺纹不受力，不变形；图2(b)为螺纹拧紧后、受气压作用前的情况，螺纹受拉，即预紧力为F′，密封垫片受太小相等、方向相反的压力F′作用。以c1和c2分别表示气瓶阀和密封垫片的刚度，则气瓶阀螺纹退刀槽的伸长量为δ1=F′/c1，密封垫片的被压缩量为δ2=F′/c2。图3(a)表示气瓶阀及密封垫片各自的受力-变形图，因为拉伸为正、压缩为负，所以密封垫片的变形画为反方向。将以上两个图合并，如图3(b)所示。当气瓶阀受气压力F时，见图2(c)，气瓶阀进一步受拉，拉力由F′增大到总拉力F0，拉力增量为F0-F′，伸长增量为Δδ1；随着螺纹的进一步被拉伸，密封垫片被压缩的程度得到了部分缓解，此时密封垫片的压力减小为残余预紧力F″，压力减量为F′-F″，压缩减量为Δδ2，见图2(c)。以上变化可用气瓶阀与密封垫片的力与变形关系图表示，如图3(c)所示。

图2　气瓶阀与密封垫片的受力变形

图3　气瓶阀与密封垫片的力与变形关系图

根据气瓶阀的静力平衡条件，即气瓶阀的总拉力F0必然为气压力F与密封垫片给它的残余预紧力F″之和，即：

F0=F″+F

(2)

又根据气瓶阀与密封垫片的变形协调条件，气瓶阀的伸长增量Δδ1必然等于密封垫片的压缩减量Δδ2，即：

Δδ1=Δδ2

(3)

(4)

根据材料力学轴向拉伸(压缩)变形知识，c1、c2与材料弹性模量、截面积A和零件变形部分长度L等因素有关，可通过公式(5)计算或试验求出：

(5)

如果气瓶阀所受的气压力过大，阀体与密封垫片出现缝隙是不允许的，因此应使残余预紧力F″>0。对于紧密连接的压力容器，因气密性要求，F″的可以参考以下的经验数据进行选择：F″=(1.5～1.8)F。

此时螺纹的强度条件应该是：

(6)

式中：As为危险截面积。

F0=F″+F=1.8F+F=2.8F

3实例分析

图1中计算参数：气瓶阀通径d1=4 mm，退刀槽直径d2=15.6 mm，垫片中径d3=20.6 mm，零件表面镀镍，取K=0.22，气瓶工作压力21 MPa，耐压31.5 MPa。

气压作用面积：

气压力：

F=PcAd3=10.5 (kN)

产品不泄漏所需的残余预紧力：

F″=1.8F=18.9 (kN)

由公式(5)得：

由公式(4)知所需最小预紧力：

T=KtF′d=0.22×24.6×18=97.4 (N·m)

由公式(2)螺纹受到的总拉力：

F0= F″+F=29.4 (kN)

退刀槽处危险截面积：

由公式(6)退刀槽处拉应力：

预紧力安全系数

根据机械设计手册连接与紧固中对于控制预紧力的安全系数Sa应大于1.5～2.5。

根据GJB/Z99-1997《系统安全工程手册》第7.3.5条中关于阀门耐压力设计要求的最低可接受的爆破安全系数(设计爆破压力与最大预期工作压力之比)为4.0[5]的要求，笔者认为气瓶阀螺纹在受安装预紧力作用后，安全系数也应该达到4.0，这是设计时也是不能被忽视的。

阀体最大破坏拉力：

Fmax=σbAs=1 120×178.5 N=199.9 (kN)

则在确保能密封的情况下可承受的最大气压力：

F=Fmax/2.5=80 (kN)

可以承受的最大气压为：

Pmax=F/Ad3=240 (MPa)

爆破安全系数：

Sa1=Pmax/Pc=240/21=11.4

可见气瓶阀安装到气瓶后满足GJB/Z99的要求，且计算方法非常简单。

4结论

本文提供的高压气瓶阀安装力矩计算方法合理有效，可应用于气瓶阀使用维护说明书安装力矩计算和气瓶产品新品研制、安装工艺参数控制、失效问题分析等工作中，这在产品设计中具有很高的工程设计参考价值，且有着广阔的应用前景。

参考文献：

[1]刘铠.基于扭矩-预紧力试验的管接头拧紧力矩控制研究[J].可靠性技术2014(5)：33-36.

[2]葛瑛华.接触式测温仪表安装中拧紧力矩的分析和确定[J].仪表技术，2013(8)：16-19.

[3]张振华.螺栓拧紧力矩的确定方法及相关探讨[J].化学工程与装备，2009(8)：105-105.

[4]于慧力.连接零部件设计实例精解[M].北京：机械工业出版社，2009.

[5]GJB/Z99-1997，系统安全工程手册[S].1997.

A Method for Calculating the Installation Torque of the High-Pressure Cylinder Valve

LI Yan-qing, JIANGPeng, LUMeng, TONG Ji-gang, WANGZhua

(CamaLuoyangGasSupplyCo.，Ltd,LuoyangHenan471009,China)

Abstract:It is necessary to use the high pressure cylinder valve in the high pressure gas cylinder, and the installation torque of high pressure gas cylinder valve is related to the sealing reliability of products and the safety of equipment and personnel. Installation torque control is crucial, and the quality of threaded connection depends on the preload generated when the gas cylinder valve is tightened, if the preload is too large, it may cause stress cracks in the threaded joints and result in collapse, while if the preload is too small, it may lead to gas leakage for the sealing force is not enough. Based on the importance of preload, through analysis of the threaded connection forces, the article establishes a linear relationship between the threaded preload and the sealing torque, and provides an effective calculation method of the high pressure cylinder valve installation torque for engineering technical personnel.

Key words:threaded connection; installation torque; preload; calculation method

中图分类号:TH123

文献标志码：A

文章编号：1007-4414(2015)03-0110-03

作者简介：李彦卿(1982-)，男，河南郑州人，硕士，工程师，主要从事军用阀门设计方面的工作。

*收稿日期：2015-04-01