带垫片的法兰连接中连接螺栓的预紧力研究

2017-09-22欧楚雄卢平

科技创新与应用 2017年28期

关键词：垫片法兰螺栓

欧楚雄+卢平

摘要：文章从理论上给出了带垫片的法兰连接中连接螺栓预紧状态下预紧力的范围，为实际工程应用中带垫片的法兰连接螺栓预紧力的选用提供了理论依据。

关键词：预紧力；螺栓；法兰；垫片；密封

中图分类号：U213.5+2 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）28-0167-02

前言

帶垫片的法兰螺栓连接是目前工程上应用最为广泛的可拆卸式连接方式之一，为了保证密封性能，需要对连接螺栓施加一定的预紧力。预紧力太小则不能保证密封性能，预紧力太大则会使垫片，螺栓或法兰失效。因此，选择一个合适的螺栓预紧力非常重要。

1 两种状态下的最小压紧力计算公式

预紧状态下垫片受力情况如图1所示：

此时法兰无内压，螺栓给法兰的压紧力为Wa，垫片给法兰的反作用力为Fa，法兰达到静力平衡，在数值上有Wa=Fa。令此时垫片刚好达到密封状态，无压力的流体无法通过垫片泄漏，得出预紧状态下垫片所需的最小压紧力为垫片比压力与垫片有效密封面积之积，即为：

Fa=πDby

D-垫片压紧节圆直径，mm；

b-垫片有效密封宽度，mm；

y-垫片比压力，垫片固有值，厂家提供，MPa。

工作状态下垫片受力情况如图2所示。

法兰受由内压P形成的对法兰的作用力F，螺栓给法兰的压紧力为Wp，垫片给法兰的反作用力为Fp，法兰达到静力平衡，在数值上有Wp=Fp+F。令此时垫片刚好达到密封状态，有压力的流体无法通过垫片泄漏，得出工作状态下垫片所需的最小压紧力为垫片系数m与内压P及垫片有效密封面积之积，即为：

Fp=2bπDmP

注：垫片系数m在测定时，对“垫片面积”取为2bπD，此时密封宽度为2倍有效密封宽度，即2b。

由内压力形成的作用力F为内压力与作用面积之积，即为：

F=πD2P/4

D-垫片压紧节圆直径，mm；

b-垫片有效密封宽度，mm；

m-垫片系数；

P-工作状态下法兰内计算压力，MPa。

2 保证工作状态下密封性能所需的最小螺栓预紧力

假定法兰和螺母绝对刚性，假定螺栓和垫片受力时遵从胡克定律，螺栓刚度为f1，垫片刚度为f2。在预紧状态下施加给螺栓的预紧力为K，此时螺栓受拉力K而伸长了t1，垫片受压力K而压缩了t2，二者刚度不同，t1≠t2。进入工作状态后，在内压P形成的作用力F作用下，螺栓所受拉力增加了，螺栓伸长量增加△t1，此时螺栓总的伸长量为t1+△t1。由于螺栓伸长量的增加导致垫片回弹，垫片压缩量减小△t2，此时垫片总的压缩量为t2-△t2。从预紧状态到工作状态，螺栓伸长量的增加△t1等于垫片压缩量的减小△t2，即△t1=△t2。

令此时垫片刚刚达到密封状态，此时垫片所受压力即为Fp，螺栓所受拉力即为Wp=Fp+F。由此可知从预紧状态到工作状态，螺栓所受拉力从K增加到Wp，垫片所受压力从K减小到Fp达到密封条件。螺栓及垫片受力形变的曲线如图3所示。

由螺栓的刚度f1及螺栓工作状态下受力Wp=Fp+F可得出B点位置，此时螺栓形变为t1+△t1，OB即为螺栓受拉力的形变曲线。由垫片刚度f2可得出垫片形变曲线的斜率，由工作状态下垫片受力为Fp且此时△t1=△t2可知仅当垫片形变曲线通过A点时满足要求，曲线DC即为垫片形变曲线，D'C'和D''C''均不满足要求。在C点处螺栓和垫片受力相等，该点对应的力即为能保证工作状态下密封性能所需的最小螺栓预紧力K，K值大于Fp小于Wp。令△t1=△t2=△t，由Wp-K=△tf1， K-Fp=△tf2可得出：

K=Fp+Ff2/（f1+f2）=2bπDmP+πD2P/4*（f2/（f1+f2））

3 连接螺栓的最大许用预紧力

施加在垫片上的压紧力太大会使垫片发生塑性变形而失去回弹能力，当连接螺栓在内压力P的作用下伸长时，垫片无法回弹而引起泄漏。因此为了不使垫片破坏，必然有一个对应的最大许用预紧力，定义为F1。工程上一般认为垫片单位有效密封面积上的压紧力不得大于4y，即：

F1=πDb×4y

考虑螺栓强度性能可知，必然对应有一个最大载荷，定义为F2。当施加的预紧力超过这个最大载荷时，会引起螺栓螺纹的破坏而导致螺栓失效引起泄漏，此时有：

F2=nAS

n-整圈螺栓数量；A-螺纹的应力截面积；S-螺栓材料许用应力。

螺栓压紧力太大同样会引起法兰变形而使法兰失效引起泄漏，定义这个使法兰失效的最大压紧力为F3。

4 连接螺栓的预紧力范围

由前文分析可知，对于带垫片的法兰连接螺栓的预紧力f，应该是大于等于保证工作状态下密封性能所需的预紧状态下的最小螺栓预紧力K，小于考虑各种因素下连接螺栓的最大许用预紧力中的最小值，即连接螺栓的预紧力范围为：

K≤f

由于K=Fp+Ff2/（f1+f2）是在法兰为绝对刚性且螺栓和垫片遵从胡克定律的前提下得出的，但实际情况并非完全如此。垫片受压时的形变往往是非线形的，因此实际应用中连接螺栓最小预紧力可取为K=Fp+F，再忽略法兰失效的极端情况F3，可得出实际应用中连接螺栓的预紧力范围为：