吴秉泽

摘要：2014年我公司中标了位于菲律宾北拉瑙省考斯瓦根市4×135MW（净输出）燃煤电站以及相关设施项目EPC总承包合同，参与了“一带一路”的建设大潮中。国外业主方要求按照美国ASME标准施工。其中，对螺栓扭矩要求严格按照《ASME-PCC-1压力边界螺栓法兰连接装配指南》附录O进行螺栓扭矩应力计算，并考虑目标装配垫片应力、法兰屈服应力等。

关键词：螺栓扭矩;应力计算;目标装配垫片应力;法兰屈服应力

0  引言

目前，国家倡导“一带一路”政策，让中国企业“走出去”，很多工程企业在海外项目中施工标准也不再是常用的国内标准，多数国外业主会要求按照美国ASME标准施工。其中，对螺栓扭矩要求严格按照《ASME-PCC-1压力边界螺栓法兰连接装配指南》附录O进行螺栓扭矩计算。

本附录的目的是为确定适当的装配螺栓应力提供指导，同时适当考虑接头的完整性。本附录中规定的详细程序适用于法兰接头，法兰接头采用受控装配方法。对简单方法和联合组件方法都作了规定。

1  定义

《ASME-PCC-1压力边界螺栓法兰连接装配指南》附录O所述螺栓扭矩计算公式需要用到的相关参数符号、名称及单位表示，见表1。

2  扭矩计算方法

螺栓扭矩的计算需要考虑现场应用指定螺栓应力所涉及的实用性。附录O介绍了两种方法：

①简单的单装配螺栓应力方法。这种方法使用更简单，但可能导致接头组件损坏。

②比较复杂的基于联合部件的办法，这种方法考虑到每个部件的完整性。

为了确定所有法兰上的标准装配螺栓应力，应当至少考虑给定垫片类型的目标垫片应力SgT。如果认为有必要，还可以考虑关于联合组件方法所概述的其他完整性问题。

3  接头组件方法

在使用关节部件法计算适当的装配螺栓应力之前，必须知道几个值。

①在装配垫片应力和垫片工作温度下的最大允许法兰旋转（？覫gmax）必须从工厂测试数据或垫片制造商处获得。目前还没有确定这个值的标准测试;然而，膨胀聚四氟乙烯垫圈的典型极限从0.3°到典型石墨填充金屬垫圈的1.0°不等。根据使用所述垫圈类型的给定服务中法兰当前存在的旋转量的计算，可以为给定位置确定适当的极限。

②最终用户必须选择最大允许螺栓应力（Sbmax）。这个值的目的是消除在装配过程中对螺栓或装配设备的损坏，并且可能因现场而异。它通常在常温下螺栓屈服应力的40%到70%之间。

③最终用户必须选择最小允许螺栓应力（Sbmin）。此值旨在提供一个较低的极限，以便螺栓不准确不会成为指定的装配螺栓应力Sbsel的重要部分。该值一般在常温下螺栓屈服应力的20～40%之间。

④法兰的最大允许螺栓应力（Sfmax）必须根据特定的法兰配置确定。这可以用弹性闭型解或弹塑性有限元分析来发现。此外，在计算极限时，还应确定法兰在该负载下的旋转（？覫fmax）。附录O列出了用于弹性闭合形式解和弹塑性有限元解的法兰极限荷载实例。

⑤靶组件垫片应力（SgT）应由最终用户与密封垫制造商协商确定。目标垫片应力应选择在可接受的垫片应力范围的上端，因为这将提供最大的缓冲区，防止接缝泄漏。

⑥垫片最大许用应力（Sgmax）必须从工厂测试数据或垫片制造商处获得。这个值是装配温度下的最大压缩应力，基于全密封垫面积，密封垫能够承受，对密封垫元件没有永久损伤（过度泄漏或缺乏弹性恢复）。所提供的任何值都应考虑法兰旋转对法兰类型的影响，这种法兰类型在增加外径上的局部垫圈应力时应予以考虑。

⑦最小垫片预紧应力（Sgmin-s）必须从工厂测试数据或垫圈制造商处获得。该值是在装配温度下的最小推荐压缩应力，并基于整个密封垫区域。该值是密封垫应装配到的应力，以便获得足够的重新分配任何填料材料，并确保密封垫和法兰面之间的初始密封。

⑧最小垫片运行应力（Sgmin-o）必须从工厂测试数据或垫片制造商处获得。这个值是在运行过程中推荐的最小压缩应力，并基于整个密封垫区域。这是密封垫的应力，应保持在密封垫运行期间，以确保不会发生泄漏。

⑨密封垫松弛率（φg）也必须从工业测试数据或密封垫制造商处获得，用于与正在评估的法兰配置类似的密封垫。如果没有可用的数据，可以使用默认值0.7。

在确定上述参数范围后，即可对每个计算使用以下公式。这个公式可以编制电子表格公式或软件程序来执行，这样可以不用一个一个计算，而是同时得出许多值。

步骤1：根据式（O-1）确定目标螺栓应力。

步骤2：确定螺栓上限是否受控

Sbsel=min.（Sbsel，Sbmax）   （O-4）

步骤3：确定螺栓下限是否受控

Sbsel=max.（Sbsel，Sbmin）   （O-5）

步骤4：确定法兰极限是否受控

Sbsel=min.（Sbsel，Sfmax）   （O-6）

步骤5：检查垫圈总成阀座应力是否达到要求。

Sbsel≥Sgmin-s[Ag/（Abnb）]（O-7）

步骤6：检查垫圈的工作压力是否保持不变。

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

步骤7：检查垫圈是否超过最大应力。

Sbsel≤Sgmax[Ag/（Abnb）]（O-9）

步骤8：检查法兰旋转极限是否超出。

Sbsel≤Sfmax （θgmax/θfmax）    （O-10）

如果计算过程中，超过了最后的检查步骤5到步骤8其中一项，那么应该判断确定哪个控制极限对完整性更重要，从而选择合适的螺栓负载。然后可以使用公式（O-2M）或（O-2）计算装配螺栓扭矩值表。

对于步骤4，需要注意的是，在某些情况下（如高温不锈钢法兰），法兰的屈服强度在运行过程中可能会显著降低。在这种情况下，法兰极限应根据比例（SfmaxSyo/Sya）降低。要确定是否必须进行这种调整，一个有用的比率是将减少量与松弛发生量进行比较，如果减少量比松弛量大，则应包括这种影响。检验表示如下：如果（1-Syo/Sya）>1.25φg，则应包括缩减因素。

对于步骤6，要注意，这种简单的处理没有考虑到由于部件弹性相互作用而在运行过程中螺栓载荷的变化。

4  计算样例

选取SA-105钢法兰、SA-193 B7钢螺栓、带内环缠绕垫装配螺栓扭矩，NPS 6 600型法兰在常温下工作，螺母系数取0.15。其对应螺栓个数为12个，直径1英寸。螺纹根部直径为0.838英寸。

Ab=π*0.838^2/4≈0.5515in.2

nb=12

A=6.618 in.2

通常垫片内外径由厂家提供，这里我们采用ASME规范中提供的NPS6 600内径为6.88英寸，外径为8.25英寸，由π/4 （GO.D.2-GI.D.2）]公式计算得 Ag=16.28in.2

ψb= 1 in.

从《ASME B16.5》标准查得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）螺栓屈服强度为105000 psi，通常，Sb max 取屈服强度的70%，Sbmin取屈服强度的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 （默认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，對于某些法兰（例如NPS 8，等级150），附加的限制（O-7）无法满足。在这种情况下，应该使用设计判断来确定哪个极限对接头的完整性更重要，并相应地修改Sbsel的值。应该指出，所提出的数值并不是硬性限制（即，如果垫圈应力低于极限0.1psi，则不会发生法兰泄漏），因此，在使用这些值时有一些余地被认为是正常的。

5  法兰限制

①已经确定了一系列的弹性分析极限，允许计算将导致法兰永久变形的近似装配螺栓应力。由于该螺栓应力近似，且法兰材料屈服倾向于下界，因此在不修改或附加安全系数的情况下使用这些极限被认为是合适的。

②采用弹塑性非线性有限元分析（FEA）方法对装配螺栓载荷进行分析，是确定装配螺栓载荷极限更为准确的方法。在WRC公告528中概述了执行这种分析的需求。无需重新分析接头配置的微小变化（如不同的垫圈尺寸或法兰材料屈服强度的微小变化），利用垫圈力矩臂的变化率或不同屈服强度的比值进行线性插值，即可估算新情况下装配螺栓应力极限。

6  结语

接头组件方法在简单方法的基础上，进一步考虑了法兰接头中各个元件的极限承载能力、保证密封需要的垫片应力、所有操作载荷和垫片松弛等情况，从而防止垫片破碎，大大降低了法兰接头泄露事故。

参考文献：

[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]关凯书，王志文，蔡仁良.ASME PCC-1-2010《压力边界螺栓法兰连接安装指南》的解析[J].压力容器，2011，12（8）：41-47.