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现在很多项目需要计算螺栓扭矩。法兰的计算一般是按照Water法校核强度和刚度,那么螺栓的扭矩应该是多少呢?螺栓扭矩的计算公式一般有两种,一类根据螺纹来计算螺栓扭矩值,ASME PCC-1的附录J:
另一种是根据螺母系数k来计算扭矩: T=kWd/n 其中 k:螺栓螺母和螺母法兰面之间的总摩擦系数,有润滑的取0.075-0.15,无润滑的取0.15-0.25(不同参考资料取法略有不同) W: 螺栓预紧载荷 d:螺栓直径(一般用根径) n:螺栓数量 两种公式都需要计算螺栓载荷,常用的是螺母系数法。 公式中一般只有螺栓载荷W是未知的,W的取值准确与否,决定了螺栓扭矩的计算结果是否可信。 那么螺栓载荷W应该如何计算呢?
在《法兰接头安装技术规定》的报批稿中,对于法兰螺栓的最小安装载荷和最大安装载荷有比较详细的规定。
其中4.4.5条规定了最小螺栓安装应力,其公式经过分析,等价于GB150.3公式 7-6的最小螺栓载荷Wp除以Rj Rj为螺栓安装载荷的松弛系数,大于或等于0.7。 对于最大螺栓安装载荷对于高强度螺栓,安装目标应力为350MPa。对于一般的法兰螺栓来说,是超过其螺栓许用应力的。比如35CrMoA在常温下的螺栓许用应力为228MPa。
这样一来出现一个问题:一般的低压的法兰计算时,预紧工况的螺栓设计载荷W决定了Mo。
也就是说,如果按照最大螺栓安装载荷来计算法兰,那么法兰的强度很大概率是不够的。为此规范也提供了一个解决方案,如下图。
规范允许减少最大螺栓安装载荷,使得法兰强度刚度合格。 此值就是GB150.3的公式7-,9,预紧状态下的螺栓设计载荷W。 对于设备法兰来说,可以根据计算书得到预紧状态下的螺栓设计载荷W。对于管法兰来说,由于不会单独计算,所以也无从得知螺栓设计载荷。所以规范根据压力等级给出了每种法兰的最大最小螺栓安装载荷表。
如果采用《法兰接头安装技术规定》最大螺栓载荷来校核管法兰的强度,对于非金属垫片基本上用Waters法是计算通不过的。这也是法兰计算的一个矛盾,按照Waters法计算通不过的法兰,不一定强度刚度存在问题。Waters法只是法兰计算的一个方法,并不代表标准管法兰或者NB的设备也需要符合Waters的计算。 另外要注意的是,规范给出来非金属垫片的压溃应力Qmax参考值,一般的垫片(3mm)应当使垫片的压紧力不大于100MPa。
对于金属垫片的压溃应力Qmax可以按照EN13555实际测定。一些厂家的垫片手册上也有垫片实验数据供参考。 关于垫片压溃一例--低等级法兰计算合格能用吗
按照这个规范,计算Qmax时,RJ面的垫片采用的是垫片和法兰接触的投影面积,比垫片横截面积还要小。所以非标准的RJ垫片还是要考虑一下垫片的压溃问题。
按《ASME PCC-1》求ASME B16.5法兰的螺栓扭矩 在ASME PCC-1 《Guidelines for pressure boundary bolted flange joint assembly》的附录O中给出了螺栓扭矩的计算。 最大载荷值的计算需要考虑最大螺栓力,最小螺栓力,法兰应力,垫片应力。 法兰应力不是按照ASME VIII I附录2的法兰计算,而是根据WRC 528采用线弹性非线性有限元法得到的一系列的值来核算法兰。 表O-8中,给出了各个压力等级的SA-105材料的WN法兰,在SA-193 B7螺栓缠绕垫下的螺栓应力。
吉尔写的《压力容器应力分析》一书中,认为法兰螺栓垫片系统的螺栓力随压力载荷而变化。螺栓垫片和法兰是静不定系统,预紧时螺栓力在G0B0,升压后螺栓力沿着G0B0-P’线变化,一般是升压后螺栓力增加,但当法兰刚性差时升压反而使螺栓力降低。螺栓力=压力载荷+垫片反力。
这图里一个关键词是“法兰分离量”,分离量越大垫片反力越小。分离量是螺栓长度变化量和法兰环偏转量之和,当偏转量大时,螺栓可能反而松弛。
这张图就是偏转量大,螺栓力下滑。法兰刚性好时,P’点是往上的。
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