CN112989657A - 一种基于法兰接头组件的螺栓预紧力计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于法兰接头组件的螺栓预紧力计算方法，通过以下步骤实现：确定法兰、垫片及螺栓的参数，根据参数确定螺栓预紧应力范围，并在该应力范围中寻找螺栓目标预紧应力值。本发明所提出的基于法兰接头组件的螺栓预紧力计算方法既考虑了法兰接头的整体密封性，同时又考虑了法兰本体结构、螺栓、垫片组成的法兰接头的强度准则，最终得出合理可靠的螺栓预紧应力值，以满足施工和应用的要求。

Description

一种基于法兰接头组件的螺栓预紧力计算方法
技术领域
本发明涉及一种基于法兰接头组件的螺栓预紧力计算方法。
背景技术
法兰接头作为一种可拆卸的静密封结构，是压力容器和压力管道中大量应用的承压接头，影响法兰密封特性的因素有很多，主要包括：法兰刚度、垫片材质和类型、螺栓选配以及安装工具和安装方法等，而螺栓安装载荷的不合理是诸多因素中最为关键的因素，大多数法兰泄漏是由于预紧载荷不合理导致的，例如，因螺栓预紧力过大造成垫片压溃、法兰过度变形失效以及螺栓预紧力过小造成垫片因预紧力过低导致接头泄漏。正确计算螺栓预紧力的范围是保证螺栓预紧的基础，也是防止法兰接头泄漏的重要保障。
法兰接头的气密性是通过螺栓预紧合理施加压力到法兰盘与垫片的接触面上实现的，当垫片与法兰盘接触面上的密封压力不足时，在法兰管道内介质压力的作用下，法兰盘与垫片的接触面发生分离，介质从分离的接触面溢出，造成法兰泄漏。当螺栓预紧力过大时，容易造成法兰结构发生过大的弹性变形甚至永久的塑性变形，或造成垫片压溃，同样也会使得法兰与垫片的接触面产生间隙，致使法兰内部的介质溢出，造成法兰泄漏。此外螺栓预紧力过大也会造成螺栓本体发生过大的塑性形变，在长期高温、交变载荷的工作条件下，也容易发生螺栓本体结构破坏，从而造成预紧力降低，致使法兰接头发生泄漏。
目前，常规的法兰螺栓预紧应力计算通常使用Taylor-Waters法或工程经验法，往往没有考虑不同法兰、垫片在结构形式、材质、尺寸规格等方面的不同，而这些参数恰恰对螺栓预紧应力计算尤为重要。采用Taylor-Waters法计算法兰螺栓预紧应力，往往在施工现场还要对计算得到的预紧应力值一定倍数的方法，造成现场施工不明确，也为后续留下隐患。
采用工程经验法，对于相同规格的螺栓用在不同的法兰上，采用相同的预紧应力值，没有考虑法兰、垫片在结构形式、材质等方面的不同，容易导致力学特性较差的法兰或垫片结构发生破坏。另外常规的预紧应力计算方法也没有考虑螺栓在预紧后产生的应力松弛，为后续的施工作业留下隐患。
发明内容
本发明提供了一种基于法兰接头组件的螺栓预紧力计算方法，能够合理地计算出法兰接头上螺栓预紧力的范围，保证螺栓预紧，从而防止法兰接头泄漏。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于法兰接头组件的螺栓预紧力计算方法，通过以下步骤实现，其特征在于：
更进一步地，确定法兰、垫片、螺栓的基本参数；
法兰的基本参数包括：法兰接头的介质压力P、法兰应力极限Sfmax、法兰转角极限θfmax；
垫片的基本参数包括：垫片的接触面积Ag、垫片的接触面内径GID、垫片松弛系数φg、垫片的最小预紧密封应力Sgmin-S、垫片的最小操作密封应力Sgmin-O、垫片最大许用应力Sgmax、垫片转角极限θgmax；
螺栓的基本参数包括：螺栓的根部面积Ab、螺栓的数量nb、螺栓材质的屈服强度Sby；
更进一步地，根据步骤S1中法兰接头组件的基本参数，计算螺栓最小安装应力Sbmin、螺栓最大安装应力Sbmax、垫片最小密封应力对应的螺栓安装应力Sbmin-S、垫片最小操作应力对应的螺栓安装应力Sbmin-O、垫片许用最大应力对应的螺栓安装应力Sbmax-Sg、法兰与垫片转角极限对应的螺栓安装应力Sbmax-θf；
计算如下：
Sbmax＝0.7Sby
Sbmin＝140MPa
Sbmin-S＝Sgmin-S[Ag/(Abnb)/]
Figure BDA0002964529120000031
Sbmax-Sg＝Sgmax[Ag/(Abnb)]
Sbmax-θf＝Sfmax(θgmax/θfmax)；
更进一步地，根据步骤S2中的应力值，计算螺栓目标预紧应力下限Sbsel-min、螺栓目标预紧应力上限Sbsel-max，详细计算步骤为：(1)判断Sfmax是否在Sbmin、Sbmax范围之间，当Sfmax≥Sbmax时，较小的Sbmax起到实际的约束作用，当Sfmax≤Sbmin，对Sfmax进行修正，防止螺栓目标预紧应力过小；(2)判断Sfmax与Sbmin-S、Sbmin-O的大小，当Sfmax小于两者时，对Sfmax放大1.1倍进行修正，并保证放大后的Sfmax仍能小于Sbmax，仍能大于Sbmin-S、Sbmin-O；(3)判断Sbmax-Sg、Sbmin-S与Sbmin-O的大小，防止Sbmin-S和Sbmin-O过大造成螺栓目标预紧应力过大；
更进一步地，计算螺栓安装应力上限与下限的倍数n，从而确定安全裕量Ky。
其中：
n＝Sbsel-max/Sbsel-min
Ky＝(n-1)/(n+1)；
更进一步地，根据步骤S4中计算得出的安全裕量Ky，以螺栓安装应力下限Sbsel-min为基础，计算螺栓目标安装应力Sbsel；
其中：
Sbsel＝Sbsel-min/(1-Ky)。
本发明的技术效果为：本发明在计算螺栓预紧应力的过程中，针对不同尺寸、结构类型法兰可以进行单独的有限元模拟仿真计算、测试实验、查询技术手册得到，从而获得更加准确法兰应力极限和法兰转角极限。考虑了法兰在尺寸、材质、结构等方面的因素对法兰许用螺栓最大安装应力和极限转角的影响，从而避免了实际安装应力过大引起法兰结构破坏。
通过在计算中引入安全裕量的形式，在一定程度上能够避免实际安装过程中操作误差、螺栓回弹等因素引起的螺栓预紧力超过许用螺栓安装应力的范围。
计算方法既考虑了法兰接头的密封性，同时又考虑了法兰本体结构、螺栓、垫片组成的法兰接头的强度准则。
附图说明
图1螺栓目标安装应力范围图。
图2螺栓目标安装应力范围的计算过程的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例，如图1到图2所示，本发明公开了一种基于法兰接头组件的螺栓预紧力计算方法，选择以ASME B16.5 CL150 NPS2型号的管道法兰为实施例，具体说明计算过程。
ASMEB16.5 CL150 NPS2型号的管道法兰，其中设计压力为2MPa，法兰螺栓数量为nb＝4，法兰螺栓直径为5/8″，法兰材料为A105，螺栓材料为ASTM A193 B7，螺栓目标安装的预紧应力，计算过程如下：
S1、得到法兰的基本参数：法兰接头的介质压力P＝2MPa、法兰应力极限Sfmax＝624Mpa、法兰转角极限θfmax＝0.131°。垫片的基本参数包括：垫片的接触面积Ag＝1957mm2、垫片的接触面内径GID＝69.9mm、垫片松弛系数φg＝0.7、垫片的最小预紧密封应力Sgmin-S＝85MPa、垫片的最小操作密封应力Sgmin-O＝30MPa、垫片最大许用应力Sgmax＝315MPa、垫片转角极限θgmax＝1°。螺栓的基本参数包括：螺栓的根部面积Ab＝130mm、螺栓的数量nb＝4、螺栓材质的屈服强度Sby＝725MPa。
S2、根据步骤S1中法兰接头组件的基本参数，计算螺栓最小安装应力Sbmin、螺栓最大安装应力Sbmax、垫片最小密封应力对应的螺栓安装应力Sbmin-S、垫片最小操作应力对应的螺栓安装应力Sbmin-O、垫片许用最大应力对应的螺栓安装应力Sbmax-Sg、法兰与垫片转角极限对应的螺栓安装应力Sbmax-θf。
Sbmax＝0.7Sby＝508MPa
Sbmin＝140MPa
Sbmin-S＝Sgmin-S[Ag/(Abnb)]＝320MPa
Figure BDA0002964529120000051
Sbmax-Sg＝Sgmax[Ag/(Abnb)]＝1185MPa
Sbmax-θf＝Sfmax(θgmax/θfmax)＝4749MPa。
S3：根据步骤S2中的应力值计算螺栓目标预紧应力下限Sbsel-min、螺栓目标预紧应力上限Sbsel-max，计算步骤为：(1)判断Sfmax是否在Sbmin、Sbmax范围之间，当Sfmax≥Sbmax时，较小的Sbmax起到实际的约束作用，当Sfmax≤Sbmin，对Sfmax进行修正，防止螺栓目标预紧应力过小；(2)判断Sfmax与Sbmin-S、Sbmin-O的大小，当Sfmax小于两者时，对Sfmax放大1.1倍进行修正，并保证放大倍数的Sfmax仍能小于Sbmax，仍能大于Sbmin-S、Sbmin-O；(3)判断Sbmax-Sg、Sbmin-S与Sbmin-O的大小，防止Sbmin-S和Sbmin-O过大造成螺栓目标预紧应力过大。详细计算步骤详见图2。
其中：
Sbsel-min＝320MPa
Sbsel-max＝508MPa。
S4：计算螺栓安装应力上限与下限的倍数n，从而确定合理的安全裕量Ky。
其中：
n＝Sbsel-max/Sbsel-min＝1.5875
Ky＝(n-1)/(n+1)＝0.2270531
取Ky＝0.2。
S5：根据计算的安全裕量Ky，以螺栓安装应力下限Sbsel-min为基础，计算螺栓目标安装应力Sbsel。
Sbsel＝Sbsel-min/(1-Ky)＝400MPa。
最终，计算得到螺栓的目标安装应力Sbsel为400MPa。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (1)

1.一种基于法兰接头组件的螺栓预紧力计算方法，通过以下步骤实现，其特征在于：
S1、确定法兰、垫片、螺栓的基本参数；
法兰的基本参数包括：法兰接头的介质压力P、法兰应力极限Sfmax、法兰转角极限θfmax；
垫片的基本参数包括：垫片的接触面积Ag、垫片的接触面内径GID、垫片松弛系数φg、垫片的最小预紧密封应力Sgmin-S、垫片的最小操作密封应力Sgmin-O、垫片最大许用应力Sgmax、垫片转角极限θgmax；
螺栓的基本参数包括：螺栓的根部面积Ab、螺栓的数量nb、螺栓材质的屈服强度Sby；
S2、根据步骤S1中法兰接头组件的基本参数，计算螺栓最小安装应力Sbmin、螺栓最大安装应力Sbmax、垫片最小密封应力对应的螺栓安装应力Sbmin-S、垫片最小操作应力对应的螺栓安装应力Sbmin-O、垫片许用最大应力对应的螺栓安装应力Sbmax-Sg、法兰与垫片转角极限对应的螺栓安装应力Sbmax-θf；
计算如下：
Sbmax＝0.7Sby
Sbmin＝140MPa
Sbmin-S＝Sgmin-S[Ag/(Abnb)]
Figure FDA0002964529110000011
Sbmax-Sg＝Sgmax[Ag/(Abnb)]
Sbmax-θf＝Sfmax(θgmax/θfmax)；
S3、根据步骤S2中的应力值，计算螺栓目标预紧应力下限Sbsel-min、螺栓目标预紧应力上限Sbsel-max，详细计算步骤为：(1)判断Sfmax是否在Sbmin、Sbmax范围之间，当Sfmax≥Sbmax时，较小的Sbmax起到实际的约束作用，当Sfmax≤Sbmin，对Sfmax进行修正，防止螺栓目标预紧应力过小；(2)判断Sfmax与Sbmin-S、Sbmin-O的大小，当Sfmax小于两者时，对Sfmax放大1.1倍进行修正，并保证放大后的Sfmax仍能小于Sbmax，仍能大于Sbmin-S、Sbmin-O；(3)判断Sbmax-Sg、Sbmin-S与Sbmin-O的大小，防止Sbmin-S和Sbmin-O过大造成螺栓目标预紧应力过大；
S4、计算螺栓安装应力上限与下限的倍数n，从而确定安全裕量Ky；
其中：
n＝Sbsel-max/Sbsel-min
Ky＝(n-1)/(n+1)；
步骤5：根据步骤S4中计算得出的安全裕量Ky，以螺栓安装应力下限Sbsel-min为基础，计算螺栓目标安装应力Sbsel；
其中：
Sbsel＝Sbsel-min/(1-Ky)。
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