對乙烯產(chǎn)品汽化器法蘭連接螺栓預(yù)緊力及力矩的分析計(jì)算

姚印樹

中石化股份天津分公司烯烴部，天津 300270

0 引言

某石化廠分離單元乙烯產(chǎn)品輸出汽化器EA423 為U 型管式換熱器，其中管側(cè)是通過中間罐區(qū)的乙烯外送泵輸送過來的乙烯產(chǎn)品，殼側(cè)為低壓蒸汽，低壓蒸汽將液相乙烯加熱氣化后輸送到下游界區(qū)的氣相乙烯用戶。

由于管殼兩側(cè)介質(zhì)溫差將近180℃，溫差應(yīng)力較大，對設(shè)備法蘭、墊片密封處提出了較高的要求，該換熱器先后出現(xiàn)過介質(zhì)從設(shè)備法蘭、墊片密封處發(fā)生泄漏，給裝置的穩(wěn)定運(yùn)行，及安全生產(chǎn)造成很大的影響。從EA423 泄漏后拆卸的情況初步分析，預(yù)緊螺栓時(shí)上緊螺栓預(yù)緊力不合適及操作不當(dāng)，造成墊片壓偏、壓損，墊片回彈性能變差，最終導(dǎo)致了墊片密封的泄漏。下面就實(shí)際施工過程中螺栓預(yù)緊力進(jìn)行簡要計(jì)算分析。

1 螺栓預(yù)緊力及預(yù)緊力矩的計(jì)算分析

螺栓連接的法蘭接頭是一種應(yīng)用極為廣泛的結(jié)構(gòu)，它屬于強(qiáng)制密封，依靠連接件通過被連接件強(qiáng)制擠壓密封元件使之密封。這種連接方式結(jié)構(gòu)簡單，上緊螺母后，螺栓力通過法蘭壓緊面作用到墊圈上，當(dāng)墊圈單位面積上所受的壓緊力達(dá)到某一值時(shí)，墊圈本身被壓實(shí)，壓緊面上由機(jī)械加工形成的微隙被填滿，為阻止介質(zhì)泄漏形成了初始密封條件。這個(gè)施加給螺栓保證密封完好，不發(fā)生泄漏的力稱為預(yù)緊力。預(yù)緊力是影響密封的重要因素。適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力可保證墊片在工作時(shí)還可保留一定的密封比壓，預(yù)緊力過大則會(huì)把墊片壓壞或擠出。該換熱器依據(jù)ASME 規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)制造，法蘭螺栓連接部分的計(jì)算方法采用“華特斯”方法，近似于GB150法蘭連接章節(jié)中對螺栓載荷的計(jì)算。該換熱器詳細(xì)參數(shù)如表1。

表1

1.1 根據(jù)GB150-1998，計(jì)算螺栓載荷

1）在預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷

每個(gè)螺栓上的載荷：Wa/40=46kN

式中Wa為預(yù)緊狀態(tài)下，需要的最小螺栓載荷

FG為預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小的墊片壓緊力

DG為墊片壓緊力作用中心圓直徑（詳見GB150）

b 為墊片有效密封寬度

y 為墊片比壓力

2）操作狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷WP包含兩部分，一部分是平衡內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向力一部分是確保墊片密封所需的壓緊力FP=2πDGbm PC，即操作狀態(tài)下所需螺栓最小載荷

每個(gè)螺栓上的載荷： WP/40=77kN

式中WP為操作狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷F 為流體壓力引起的總軸向力

FP為操作狀態(tài)下需要的最小的墊片壓緊力m 為墊片系數(shù)PC為計(jì)算壓力

DG、b 定義同上。

由以上公式可以看出預(yù)緊狀態(tài)下螺栓所受的力Wa= FG，只是預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小墊片壓緊力，并非所說的預(yù)緊力。因?yàn)閙值和y 值都是墊片本身特有的數(shù)值，其值因墊片的形狀、材質(zhì)等不同而異。所以FG本身與操作狀態(tài)無關(guān)。而在實(shí)際操作工況中需要的預(yù)緊力是要在滿足操作時(shí)不泄漏，也就是要螺栓能保證在操作時(shí)螺栓的荷載保持在WP值的預(yù)緊力下。

1.2 預(yù)緊力的計(jì)算

圖1

正確的預(yù)緊力的計(jì)算方法，需綜合考慮法蘭連接點(diǎn)的螺栓、墊片材料，連接狀態(tài)、操作狀態(tài)等各種因素的影響進(jìn)行分析計(jì)算來確定。圖1 為從預(yù)緊狀態(tài)到操作狀態(tài)的變化情況。

設(shè)螺栓在受力時(shí)，其力與伸長關(guān)系如斜線DB。B 點(diǎn)是由操作狀態(tài)下的螺栓載荷Wp 決定的，此時(shí)螺栓伸長值為DG。設(shè)墊片在受力時(shí)，其力與壓縮關(guān)系如斜線FC ，C 點(diǎn)是由操作狀態(tài)下的墊片載荷Fp 決定的，此時(shí)墊片的壓縮值為FG。將FC 延長與DB 交于A 點(diǎn)，在A 點(diǎn)時(shí)，螺栓與墊片載荷相等為f ，此時(shí)螺栓伸長值為DE ，墊片壓縮值FE ，A 點(diǎn)即預(yù)緊時(shí)的狀態(tài)，f 即所需的預(yù)緊力。這示意圖說明，由預(yù)緊狀態(tài)變?yōu)椴僮鳡顟B(tài)，隨著內(nèi)壓引起的軸向力F的增加，螺栓載荷在f 基礎(chǔ)上有所增加，墊片載荷在f 基礎(chǔ)上有所減小。如果不考慮在升壓過程中墊片受壓變化的影響，螺栓載荷本應(yīng)為f + F，但由于墊片受到的壓縮力減少而松（回彈） ，壓縮墊片所需的螺栓載荷只為Fp，再加上內(nèi)壓引起的軸向力F ，就組成操作狀態(tài)的螺栓載荷Wp。f 與Fp的差值ΔF 即為墊片松弛時(shí)所減少的受力值。因此可以看出：預(yù)緊力f 即不是Wp+ F ，也不是螺栓材料的屈服極限或許用應(yīng)力，而是一種考慮了內(nèi)壓作用和墊片在升壓過程中松弛的綜合結(jié)果。

由前面的分析看出，只要算出由內(nèi)壓PC作用引起的墊片松弛所減少的壓緊力ΔF ，就可以用它和Fp求得預(yù)緊力f 。操作時(shí)，流體靜壓總軸向力F 作用于法蘭連接點(diǎn)，使螺栓相應(yīng)伸長ΔLb，此時(shí)，墊片由于螺栓伸長而松弛(回彈) ，變形值為ΔLG，由于墊片回彈變形值應(yīng)與螺栓伸長值相協(xié)調(diào)，故ΔLG=ΔLb

根據(jù)虎克定律：

墊片回彈值:ΔLG=ΔFtg/ EgAg

螺栓伸長值:ΔLb= ( F - ΔF) lb/ EbAb

式中Eb為螺栓材料在操作溫度下的彈性模量（MPa）；

Eg為墊片材料在操作溫度下的彈性模量（MPa）；

Ab為螺栓總截面積（mm2）；

Ag為墊片實(shí)際接觸面積（mm2）；

lb為螺栓計(jì)算長度（mm）；

tg為墊片計(jì)算厚度（mm）。

根據(jù)圖2 ，預(yù)緊力f = FP+ΔF=0.575×106+2.48×106= 3.055×106N

每個(gè)螺栓上的預(yù)緊力：f/40=76.4KN

SA320.L7 材料的屈服強(qiáng)度σs=725MPa

即σ＜σs，材料強(qiáng)度滿足要求。

1.3 預(yù)緊力矩的計(jì)算

T = KWd =0.15×3.055×106×0.02773=12707 NM

式中K- 螺栓與螺母間的摩擦系數(shù);

W -取Wa及f 中的較大值（N）;

d- 螺紋中徑（m）。

2 結(jié)論

根據(jù)計(jì)算的上緊螺栓力矩值，對法蘭連接螺栓使用液壓工具進(jìn)行精確的扭矩上緊操作，并嚴(yán)格控制施工上緊螺栓順序。經(jīng)過運(yùn)行實(shí)踐證明，法蘭墊片密封處密封較好，未再發(fā)生泄漏情況。

計(jì)算出預(yù)緊力矩后，則可在法蘭連接裝配時(shí)有目的地上緊螺栓，避免發(fā)生泄漏時(shí)，不去分析其它原因，單純認(rèn)為是上得不緊而多次上緊，結(jié)果造成螺栓受力過大而失效。同時(shí)應(yīng)該看到，并不是確定了預(yù)緊力矩就一定可以保證法蘭連接點(diǎn)在試壓或操作中不泄露。因?yàn)樯鲜鲇?jì)算是從理想的條件出發(fā)的。在實(shí)際連接中，影響上緊力矩的因素很多，如螺栓、螺母的制造質(zhì)量、法蘭剛度、螺母與螺栓及法蘭接觸面的潤滑情況、操作條件、螺栓上緊順序等，尤其是墊片的材質(zhì)、加工質(zhì)量影響最大。因此，要在對其理論的計(jì)算和特性分析后，結(jié)合實(shí)際條件，將影響泄漏的因素考慮在內(nèi)，才會(huì)有效的分析和避免在法蘭連接中的泄漏問題。