金属透镜垫密封联接螺栓载荷计算

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1、金属透镜垫密封联接螺栓载荷计算　　(内蒙古设备质量监理中心，内蒙古呼和浩特010010) 　　摘要：压力容器在安全使用过程中，密封的实现是关键，目前容器的接管法兰多采用金属透镜垫密封。对于金属透镜垫密封来说，螺栓预紧力是影响密封的关键因素。文章据此对螺栓拧紧力矩、螺栓预紧力、工作条件下单个螺栓载荷进行了理论计算，并提出了检修技术要求。 　　关键词：螺栓预紧力；拧紧力矩；螺栓载荷；密封 　　中图分类号：TQ051.3文献标识码：A文章编号：1007—6921(XX)23—0090—02 　　合成氮与尿素工业装置中的压力容器大都属于高温高压容

2、器，工作介质为易燃易爆气体或液体；容器的接管法兰多采用金属透镜垫密封。因此，密封的实现是关键，如果安装或检修不当，将会留下严重安全隐患和引起不必要的经济损失。 1密封分析 　　对金属透镜垫密封，螺栓预紧力是影响密封的一个关键因素。它是利用螺栓与法兰密封面紧密接触，接触部分发生微量的塑性变形并填满凹凸不平之处，从而形成密封。密封的关键在于如何确定螺栓预紧力，使得在工作载荷条件下螺栓拥有足够的参与预紧力来满足透镜垫密封。同时，预紧力也不能过大，否则会损坏密封垫或密封面。 　　影响密封的主要因素还有法兰刚度、透镜垫压缩回探性能、密封面表面粗糙度和操作

3、条件。法兰刚度大，可以防止受力后翘曲变形，并可使螺栓力均匀地传递给透镜垫；透镜垫的回弹性能随材质的硬度值的提高而提高，其回弹性能越高，密封性能越好，但硬度值过高将会增加螺栓预紧密封载荷，所以一般透镜垫的硬度值比法兰密封面的硬度值至少低30HB；在相同螺栓预紧力下，密封面表面的粗糙度Ra越小，密封效果越好，要求Ra在3.2～0.8μm,且应避免密封面有径向凹痕。操作条件以温度的影响最为显著，在高温下，螺栓、法兰、透镜垫都有可能产生蠕变和应力松弛，特殊情况下，当螺栓的温度比较法兰为高时，在介质压力下，法兰将被抬起而造成泄漏。 2螺栓密封载荷计算 2.1

4、螺栓拧紧力矩 　　绝大多数螺栓联接时都要预紧，目的在于增强联接的刚性、紧密性、防松能力及防止受横向载荷的螺栓联接的滑动。拧紧时，扳手力矩T用于克服螺纹阻力矩T1及螺母与被联接件支承面间的端面摩擦力矩T2之和。 　　T＝T1＋T2＝KF′d≈0.2F′dN·mm 　　式中：K——拧紧力矩系数，对于普通粗牙M12～M64螺纹，K≈0.2； 　　F′——螺栓预紧力，N；d为螺栓公称直径，mm。 　　通过液力等方法使螺栓预伸长到所要求的变形量，再拧紧螺母不受拧紧力矩作用。 2.2螺栓预紧力的控制 　　螺栓预紧力F′的大小根据螺栓组受力和工作

5、条件决定。一般规定拧紧后螺纹联接件的预紧应力不得大于其材料屈服极限σS的80%。对于一般联接用的钢制螺栓荐用预紧力限值如下： 碳素钢螺栓：F′＝N 合金钢螺栓：F′＝σSASN 式中：σS为螺栓材料屈服极限，MPa； AS为螺纹公称应力截面积，mm2。 　　740)this.width=740"border=undefined> 　　式中：[ZK(]d2——螺纹中径，mm； 　　d3——螺纹的计算直径。d3＝d1－H/6,其中H为螺纹原始三角形高度，mm； d1——螺纹小径，mm。 　　常用螺纹公称应力截面积及联接屈服

6、极限如表1，表2。 载荷如图2所示。 2.3工作条件下单个螺栓载荷 　　从图1中可看到螺栓在工作载荷F的作用下，使螺栓伸长Δδ，相应有Δσ＝Δσb＝Δσc；螺栓载荷增大ΔF；而联接件被放松，压紧力减小到F″。 　　螺栓与被联接件变形示。根据静力平衡方程和变形协调条件，工作条件下螺栓所受总拉力F0＝F′＋ΔF＝F″＋F。 螺拴所受总拉力： 　　740)this.width=740"border=undefined> 　　740)this.width=740"border=undefined> F0＝F＋ΔF＝F″＋F

7、　　式中：F＂——被联接放松后的螺栓残余预紧力，N，应满足以下条件：有紧密性要求F＂＝F，无特殊要求时F＂＝F； 　　Δσb——螺栓预紧后螺栓的变形后，mm； 　　Δσc——螺栓预紧后被联接后被联接件的变形量，mm； F——轴向外载荷，N。 F＝D2p 式中：n——法兰螺栓数量； D——透镜垫密封直径，mm； p——设计压力，MPa。 　　为确保设备安全运行，螺栓所受总拉力［σ］还应满足一下条件：［σ］≤［σs］/n,螺栓联接的安全系数如表3。 　　740)this.width=740"border=undefined> 　　

8、螺栓一般以受拉力为主，普通螺栓联接的失效形式主要是螺栓杆在制有螺纹的部分被拉断，危险截面为螺纹