一種高壓氣瓶閥安裝力矩的計(jì)算方法*

?

一種高壓氣瓶閥安裝力矩的計(jì)算方法*

李彥卿，江澎，盧猛，仝繼鋼，王抓

(凱邁(洛陽(yáng))氣源有限公司， 河南 洛陽(yáng)471009)

摘要：高壓氣瓶閥在高壓氣瓶使用中是必不可少的，其安裝力矩關(guān)系著產(chǎn)品是否可靠密封、設(shè)備及人員的安全。安裝力矩控制至關(guān)重要，螺紋連接的好壞取決于氣瓶閥擰緊時(shí)產(chǎn)生的預(yù)緊力，預(yù)緊力過(guò)大可能會(huì)在螺紋連接處產(chǎn)生應(yīng)力裂紋而導(dǎo)致斷裂，預(yù)緊力過(guò)小則可能會(huì)因密封力不夠而導(dǎo)致氣體泄漏?；陬A(yù)緊力的重要性，本文從螺紋連接的受力情況開(kāi)始分析，確立了螺紋預(yù)緊力和密封力矩的線性關(guān)系，為工程技術(shù)人員提供了一種有效的高壓氣瓶閥安裝力矩的計(jì)算方法。

關(guān)鍵詞：螺紋連接；安裝力矩；預(yù)緊力；計(jì)算方法

0引言

高壓氣瓶設(shè)計(jì)離不開(kāi)氣瓶閥，氣瓶閥安裝力矩的量化控制是保證密封可靠連接的重要措施。安裝力矩控制的關(guān)鍵在于能否掌握扭矩與預(yù)緊力的關(guān)系，以及預(yù)緊力與密封性之間的關(guān)系[1]。本文對(duì)參考文獻(xiàn)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了分析總結(jié)，并結(jié)合企業(yè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，確立了一種通過(guò)密封預(yù)緊力確定氣瓶閥安裝力矩的計(jì)算方法。

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式由高壓氣瓶閥、高壓氣瓶和密封墊片組成，如圖1所示。所示氣瓶閥同時(shí)受預(yù)緊力和軸向氣壓力，此種結(jié)構(gòu)由于氣瓶閥過(guò)流作用，要求必須有一定的通徑，又不同于大型氣瓶法蘭式連接形式，沒(méi)有特定的安裝力矩計(jì)算公式。

圖1　產(chǎn)品結(jié)構(gòu)組成圖1.高壓氣瓶閥　2.密封墊片　3.高壓氣瓶

1氣瓶閥安裝過(guò)程受力分析

氣瓶閥擰緊過(guò)程與螺栓螺母擰緊過(guò)程相似，擰緊過(guò)程受力分析本文參考文獻(xiàn)中多有介紹，此文不再詳述，擰緊力矩可以簡(jiǎn)化為以下公式：

T=KF′d

(1)[1-3]

式中：T為氣瓶閥的安裝力矩N·m；K為擰緊力矩系數(shù)，其值見(jiàn)表1所列；F′為預(yù)緊力，N；d為螺紋公稱直徑，mm。

表1　擰緊力矩系數(shù)K值

由安裝力矩與預(yù)緊力呈線性關(guān)系的特性可知，通過(guò)安裝力矩的大小，就可以經(jīng)試驗(yàn)或理論的方法計(jì)算出預(yù)緊力值。由于受摩擦系數(shù)和幾何參數(shù)偏差的影響，在一定的安裝力矩下，預(yù)緊力數(shù)值的離散性比較大，因此通過(guò)安裝力矩來(lái)控制預(yù)緊力的精度并不是很高，其誤差約為±25%左右，最大甚至可達(dá)±40%左右[3]。這在高壓產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該加以考慮，應(yīng)該設(shè)計(jì)有足夠的安全系數(shù)來(lái)消除誤差對(duì)安全性的影響。

2氣瓶充壓后受力分析

氣瓶閥在實(shí)際工作中，氣瓶需填充高壓氣體，氣瓶閥既要受到安裝力矩產(chǎn)生的預(yù)緊力，又要受到高壓氣體對(duì)氣瓶閥的氣壓力。不能認(rèn)為預(yù)緊力F′和氣壓力F方向相同，而簡(jiǎn)單認(rèn)為總拉力F0就等于兩者直接相加。由于氣瓶閥螺紋退刀槽與密封墊片的彈性變形．總拉力不等于預(yù)緊力F′加氣壓力F，即F0≠F′+F。由理論分析得：總拉力F0與預(yù)緊力F′、氣壓力F、氣瓶閥剛度c1，墊片剛度c2有關(guān)．屬于靜不定問(wèn)題．可利用靜力平衡條件及變形協(xié)調(diào)求得[4]。

圖2(a)為螺紋剛要擰緊、還未擰緊，螺紋不受力，不變形；圖2(b)為螺紋擰緊后、受氣壓作用前的情況，螺紋受拉，即預(yù)緊力為F′，密封墊片受太小相等、方向相反的壓力F′作用。以c1和c2分別表示氣瓶閥和密封墊片的剛度，則氣瓶閥螺紋退刀槽的伸長(zhǎng)量為δ1=F′/c1，密封墊片的被壓縮量為δ2=F′/c2。圖3(a)表示氣瓶閥及密封墊片各自的受力-變形圖，因?yàn)槔鞛檎?、壓縮為負(fù)，所以密封墊片的變形畫(huà)為反方向。將以上兩個(gè)圖合并，如圖3(b)所示。當(dāng)氣瓶閥受氣壓力F時(shí)，見(jiàn)圖2(c)，氣瓶閥進(jìn)一步受拉，拉力由F′增大到總拉力F0，拉力增量為F0-F′，伸長(zhǎng)增量為Δδ1；隨著螺紋的進(jìn)一步被拉伸，密封墊片被壓縮的程度得到了部分緩解，此時(shí)密封墊片的壓力減小為殘余預(yù)緊力F″，壓力減量為F′-F″，壓縮減量為Δδ2，見(jiàn)圖2(c)。以上變化可用氣瓶閥與密封墊片的力與變形關(guān)系圖表示，如圖3(c)所示。

圖2　氣瓶閥與密封墊片的受力變形

圖3　氣瓶閥與密封墊片的力與變形關(guān)系圖

根據(jù)氣瓶閥的靜力平衡條件，即氣瓶閥的總拉力F0必然為氣壓力F與密封墊片給它的殘余預(yù)緊力F″之和，即：

F0=F″+F

(2)

又根據(jù)氣瓶閥與密封墊片的變形協(xié)調(diào)條件，氣瓶閥的伸長(zhǎng)增量Δδ1必然等于密封墊片的壓縮減量Δδ2，即：

Δδ1=Δδ2

(3)

(4)

根據(jù)材料力學(xué)軸向拉伸(壓縮)變形知識(shí)，c1、c2與材料彈性模量、截面積A和零件變形部分長(zhǎng)度L等因素有關(guān)，可通過(guò)公式(5)計(jì)算或試驗(yàn)求出：

(5)

如果氣瓶閥所受的氣壓力過(guò)大，閥體與密封墊片出現(xiàn)縫隙是不允許的，因此應(yīng)使殘余預(yù)緊力F″>0。對(duì)于緊密連接的壓力容器，因氣密性要求，F(xiàn)″的可以參考以下的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇：F″=(1.5～1.8)F。

此時(shí)螺紋的強(qiáng)度條件應(yīng)該是：

(6)

式中：As為危險(xiǎn)截面積。

F0=F″+F=1.8F+F=2.8F

3實(shí)例分析

圖1中計(jì)算參數(shù)：氣瓶閥通徑d1=4 mm，退刀槽直徑d2=15.6 mm，墊片中徑d3=20.6 mm，零件表面鍍鎳，取K=0.22，氣瓶工作壓力21 MPa，耐壓31.5 MPa。

氣壓作用面積：

氣壓力：

F=PcAd3=10.5 (kN)

產(chǎn)品不泄漏所需的殘余預(yù)緊力：

F″=1.8F=18.9 (kN)

由公式(5)得：

由公式(4)知所需最小預(yù)緊力：

T=KtF′d=0.22×24.6×18=97.4 (N·m)

由公式(2)螺紋受到的總拉力：

F0= F″+F=29.4 (kN)

退刀槽處危險(xiǎn)截面積：

由公式(6)退刀槽處拉應(yīng)力：

預(yù)緊力安全系數(shù)

根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)連接與緊固中對(duì)于控制預(yù)緊力的安全系數(shù)Sa應(yīng)大于1.5～2.5。

根據(jù)GJB/Z99-1997《系統(tǒng)安全工程手冊(cè)》第7.3.5條中關(guān)于閥門(mén)耐壓力設(shè)計(jì)要求的最低可接受的爆破安全系數(shù)(設(shè)計(jì)爆破壓力與最大預(yù)期工作壓力之比)為4.0[5]的要求，筆者認(rèn)為氣瓶閥螺紋在受安裝預(yù)緊力作用后，安全系數(shù)也應(yīng)該達(dá)到4.0，這是設(shè)計(jì)時(shí)也是不能被忽視的。

閥體最大破壞拉力：

Fmax=σbAs=1 120×178.5 N=199.9 (kN)

則在確保能密封的情況下可承受的最大氣壓力：

F=Fmax/2.5=80 (kN)

可以承受的最大氣壓為：

Pmax=F/Ad3=240 (MPa)

爆破安全系數(shù)：

Sa1=Pmax/Pc=240/21=11.4

可見(jiàn)氣瓶閥安裝到氣瓶后滿足GJB/Z99的要求，且計(jì)算方法非常簡(jiǎn)單。

4結(jié)論

本文提供的高壓氣瓶閥安裝力矩計(jì)算方法合理有效，可應(yīng)用于氣瓶閥使用維護(hù)說(shuō)明書(shū)安裝力矩計(jì)算和氣瓶產(chǎn)品新品研制、安裝工藝參數(shù)控制、失效問(wèn)題分析等工作中，這在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中具有很高的工程設(shè)計(jì)參考價(jià)值，且有著廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉鎧.基于扭矩-預(yù)緊力試驗(yàn)的管接頭擰緊力矩控制研究[J].可靠性技術(shù)2014(5)：33-36.

[2]葛瑛華.接觸式測(cè)溫儀表安裝中擰緊力矩的分析和確定[J].儀表技術(shù)，2013(8)：16-19.

[3]張振華.螺栓擰緊力矩的確定方法及相關(guān)探討[J].化學(xué)工程與裝備，2009(8)：105-105.

[4]于慧力.連接零部件設(shè)計(jì)實(shí)例精解[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[5]GJB/Z99-1997，系統(tǒng)安全工程手冊(cè)[S].1997.

A Method for Calculating the Installation Torque of the High-Pressure Cylinder Valve

LI Yan-qing, JIANGPeng, LUMeng, TONG Ji-gang, WANGZhua

(CamaLuoyangGasSupplyCo.，Ltd,LuoyangHenan471009,China)

Abstract:It is necessary to use the high pressure cylinder valve in the high pressure gas cylinder, and the installation torque of high pressure gas cylinder valve is related to the sealing reliability of products and the safety of equipment and personnel. Installation torque control is crucial, and the quality of threaded connection depends on the preload generated when the gas cylinder valve is tightened, if the preload is too large, it may cause stress cracks in the threaded joints and result in collapse, while if the preload is too small, it may lead to gas leakage for the sealing force is not enough. Based on the importance of preload, through analysis of the threaded connection forces, the article establishes a linear relationship between the threaded preload and the sealing torque, and provides an effective calculation method of the high pressure cylinder valve installation torque for engineering technical personnel.

Key words:threaded connection; installation torque; preload; calculation method

中圖分類號(hào):TH123

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-4414(2015)03-0110-03

作者簡(jiǎn)介：李彥卿(1982-)，男，河南鄭州人，碩士，工程師，主要從事軍用閥門(mén)設(shè)計(jì)方面的工作。

*收稿日期：2015-04-01