壓力管道法蘭配套螺栓墊片的選用

安廣輝

（北京沃利帕森工程項目管理有限公司，北京 100021）

螺栓和墊片在工業(yè)管道法蘭連接中大量應(yīng)用，在管道材料設(shè)計中，如何正確地選擇螺栓和墊片對于管道的安全有重要的影響。

法蘭常用螺栓分單頭螺栓（又稱六角頭螺栓）和雙頭螺栓（又稱螺柱）[1]。美標(biāo)螺柱一般為全螺紋螺柱，而我國一般使用雙頭螺栓。由于雙頭螺栓的無螺紋部分直徑大于螺紋根徑，因此屬于剛性螺栓，其抗疲勞及防松弛性能要低于全螺紋螺柱[2]。

常用法蘭墊片有非金屬墊片、半金屬墊片和金屬墊。非金屬墊片亦稱軟墊片，一般以石棉為主體配以橡膠等材料制作而成，通常只是在操作溫度較低，操作壓力不高的管道上使用。半金屬墊片由金屬材料和非金屬材料共同組合而成，常用的有纏繞式墊片和金屬包墊片，它比非金屬墊片所承受的溫度壓力范圍較廣。金屬墊全部由金屬制作，有波形、齒形、橢圓形、八角形和透鏡墊等，這種墊片一般用在半金屬墊片所不能承受的高溫高壓管道法蘭上[1]。

管道法蘭設(shè)計中，螺栓和墊片的選擇都有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。以下將通過介紹國內(nèi)及國際主要相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，說明螺栓和墊片的選用原則。

希望通過本文的介紹，對需要選擇法蘭螺栓和墊片的管道工程師有一定的指導(dǎo)作用。

1 螺栓和墊片相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)介紹

中國、歐盟及美國制定了很多關(guān)于管道法蘭螺栓和墊片選用標(biāo)準(zhǔn)及材料產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)等。以下將一一介紹各國主要使用的螺栓墊片選用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

1.1 我國螺栓墊片選用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

我國有很多關(guān)于螺栓墊片選用的標(biāo)準(zhǔn)，有國家標(biāo)準(zhǔn)、化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、石化行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等。以下對于我國工業(yè)項目中常用的螺栓墊片選用標(biāo)準(zhǔn)進行一一介紹。

1.1.1 工業(yè)管道壓力管道規(guī)范GB/T 20801—2006《壓力管道規(guī)范 工業(yè)管道 第3 部分：設(shè)計和計算》

螺栓的選用應(yīng)考慮法蘭形式、墊片類型、操作溫度和操作壓力等因素。螺栓強度分為低強度、中強度和高強度。不同強度的螺栓要對應(yīng)不同的墊片和法 蘭。

墊片的選用應(yīng)考慮流體性質(zhì)、使用溫度、壓力以及法蘭密封面等因素。墊片的密封荷載應(yīng)與法蘭的壓力等級、密封面型式、表面粗糙度和緊固件相匹 配[3]。

以下介紹本標(biāo)準(zhǔn)在使用過程中會遇到的一些問題及注意事項。

表1 是從標(biāo)準(zhǔn)中摘錄出的緊固件強度分類，從表1 看到，螺栓材料標(biāo)準(zhǔn)不是美標(biāo)就是歐標(biāo)，我國壓力容器、壓力管道行業(yè)，目前還處于無專門的緊固件材料標(biāo)準(zhǔn)的狀態(tài)[2]。因此我國應(yīng)該加緊制定壓力容器、壓力管道行業(yè)的緊固件材料標(biāo)準(zhǔn)。

從表1 還看到，對于中強度緊固件，沒有碳鋼材質(zhì)的，如果在遇到碳鋼管道需要中強度緊固件的情況，我們就無從選擇，只能選擇高強度緊固件代替。但是在美標(biāo)的法蘭標(biāo)準(zhǔn)ASME B16.5《PIPE FLANGES AND FLANGED FITTINGS》中，對于中強度緊固件，是有A193 B5 和A193 B7M 等碳鋼緊固件的。因此我們可以先引用美標(biāo)的中強度緊固件材料，編入我們的緊固件強度分類表中。在目前的GB/T 20801—2016 征求意見稿中，筆者發(fā)現(xiàn)還沒有編入中強度碳鋼緊固件，因此在正式出版之前，可以考慮編入。

從標(biāo)準(zhǔn)條文“5.1.9.3 石棉橡膠墊片應(yīng)滿足以下要求：”可以看出，我國還是可以使用石棉墊片的。根據(jù)國際禁止石棉秘書處的數(shù)據(jù)，從歐盟到波斯灣，從日本等工業(yè)國到非洲的發(fā)展中經(jīng)濟體，有66 個國家禁止使用石棉。仍然允許使用石棉的國家是中國，俄羅斯，印度和美國等。因此當(dāng)我們要給這66 個國家設(shè)計并制造撬塊時，一律不得使用含石棉墊片，否則將會觸犯這些國家的法律。

1.1.2 化工行業(yè)螺栓墊片選用標(biāo)準(zhǔn)HG/T 20614—2009《鋼制管法蘭、墊片、緊固件選配規(guī)定（PN 系列）》

本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了鋼制管法蘭、墊片和緊固件（PN系列）配合使用時選用的一般規(guī)則[4]。

以下介紹本標(biāo)準(zhǔn)在使用過程中會遇到的一些問題及注意事項。

化工行業(yè)的法蘭標(biāo)準(zhǔn)HG/T 20592—2009《鋼制管法蘭（PN 系列）》的壓力等級只到PN 160，所以化工行業(yè)墊片標(biāo)準(zhǔn)也只到PN 160。國標(biāo)的法蘭標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9115—2010《對焊鋼制管法蘭》的壓力等級有歐洲體系和美洲體系兩個序列，但是國標(biāo)的墊片標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9128—2003《鋼制管法蘭用金屬環(huán)墊 尺寸》只有美洲體系序列。所以GB/T 9128—2003 只適用于2010 版國標(biāo)法蘭的美洲體系的環(huán)連接面法蘭。對于2010 版國標(biāo)法蘭的歐洲體系的環(huán)連接面法蘭，國標(biāo)沒有標(biāo)準(zhǔn)可循，希望在GB/T 9128—2003 修訂時，能把PN 系列的環(huán)連接面法蘭所配墊片編入。

本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定六角頭螺栓和雙頭螺柱只能用于非有毒、非可燃介質(zhì)以及非劇烈循環(huán)場合。這個要求在GB/T 20801 中并沒有規(guī)定。這是因為化工行業(yè)用到的有毒和可燃介質(zhì)眾多，所以需要的安全性更高，才提出了這樣的要求。而國標(biāo)適用于沒有指定本行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的某些行業(yè)，例如市政行業(yè)、環(huán)保行業(yè)和環(huán)境衛(wèi)生行業(yè)等。

1.1.3 石化行業(yè)管道器材選用標(biāo)準(zhǔn)SH/T 3059—2012《石油化工管道設(shè)計器材選用規(guī)范》

本規(guī)范規(guī)定了石油化工管道材料的選用、管道組成件的選用要求和計算方法[5]。

以下介紹本標(biāo)準(zhǔn)在墊片和螺栓選擇過程中遇到的一些問題及注意事項。

由于石化行業(yè)法蘭標(biāo)準(zhǔn)SH/T 3406—2013《石油化工鋼制管法蘭》只有美洲體系，所以本標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定也只是針對石化行業(yè)美洲體系墊片和螺栓的選用。

本標(biāo)準(zhǔn)中也引用了一些化工行業(yè)的墊片標(biāo)準(zhǔn)，這說明了石化行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)也不是特別健全。

1.2 美國墊片螺栓選用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

美國使用的主要法蘭標(biāo)準(zhǔn)有ASME B16.5—2017[6]、AWWA C207—2018[7]和ASME B16.1[8]，所以以下介紹的墊片螺栓的選用標(biāo)準(zhǔn)也是圍繞這三個法蘭標(biāo)準(zhǔn)進行。

1.2.1 美國法蘭標(biāo)準(zhǔn)

本標(biāo)準(zhǔn)是廣泛使用的工業(yè)管道法蘭的美國標(biāo)準(zhǔn)，在我國的石化行業(yè)中使用也非常廣泛。

以下介紹本標(biāo)準(zhǔn)在墊片螺栓選擇過程中提到的一些注意事項。

本標(biāo)準(zhǔn)提到螺栓分為低強度螺栓、中強度螺栓和高強度螺栓，鐵基合金的螺栓標(biāo)準(zhǔn)見表2。

本標(biāo)準(zhǔn)提到低強度螺栓只能用于CLASS 150 和CLASS 300。碳鋼低強度螺栓只能用于-29 ～200℃。對于CLASS 150 的鋼法蘭和CLASS 125 的鑄鐵法蘭法蘭連接時，如果是RF 面連接，必須要用低強度螺栓；如果是FF 面連接，低強度螺栓、中強度螺栓和高強度螺栓都可以用。對于CLASS 300 的鋼法蘭和CLASS 250 的鑄鐵法蘭法蘭連接時，如果是RF 面連接，必須要用低強度螺栓；如果是FF 面連接，低強度螺栓、中強度螺栓和高強度螺栓都可以用。

表2 螺栓標(biāo)準(zhǔn)列表：適用于ASTM [6]Table 2 List Of Bolting Specifications： Applicable ASTM Specifications

本標(biāo)準(zhǔn)提到CLASS 150 的法蘭如果使用纏繞墊，配套法蘭建議用帶頸對焊法蘭或者松套法蘭。

比作秀更可怕的是作假。前段時間，河南平頂山有人向媒體反映，因為空氣質(zhì)量惡化，當(dāng)?shù)卣块T強制市區(qū)范圍內(nèi)的十幾家加油站限制加油時間，想加油只能在晚上7點以后，早上8點之前，同時這些加油站要在年底前完成搬遷。

1.2.2 美國水行業(yè)法蘭標(biāo)準(zhǔn)AWWA C207

本標(biāo)準(zhǔn)是美國水行業(yè)用的法蘭標(biāo)準(zhǔn)，適用于水行業(yè)的低壓力常溫的工況，在我國石化行業(yè)中也常用在循環(huán)冷卻水和生產(chǎn)給排水管道中。

以下介紹本標(biāo)準(zhǔn)在使用過程中會遇到的一些問題及注意事項。

本標(biāo)準(zhǔn)中法蘭的壓力等級分為CLASS B， CLASS D， CLASS E， CLASS F。 其 中CLASS B， CLASS D， CLASS E 的法蘭是可以和ASME B16.5和ASME B16.47 系列A 的CLASS 150 法蘭連接的，法蘭螺栓孔中心圓直徑完全一致，法蘭盤大小稍有幾毫米的差別，不影響連接。從上看出，CLASS B， CLASS D， CLASS E 的墊片和ASME B16.5 和ASME B16.47 系列A 的CLASS150 法蘭所配的墊片可以通用。

本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定所有的螺栓螺母材料用A193 B7 和A194 2H。這個規(guī)定和ASME B16.5 的規(guī)定有些矛盾，按照ASME B16.5，低壓法蘭如果采用RF 面，不應(yīng)該用高強螺栓，但是本標(biāo)準(zhǔn)并沒有這個限制，可能考慮水行業(yè)的工況沒有太大的危險性。

本標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定法蘭的連接面只有FF 面，但是在本標(biāo)準(zhǔn)墊片列表中又出現(xiàn)了RF 面墊片，不知這個又作何解釋。

1.2.3 美國鑄鐵法蘭標(biāo)準(zhǔn)ASME B16.1

本標(biāo)準(zhǔn)是美國的灰鑄鐵法蘭標(biāo)準(zhǔn)，適用于市政給排水行業(yè)。這個標(biāo)準(zhǔn)在我國應(yīng)用較少。

以下介紹本標(biāo)準(zhǔn)在使用過程中會遇到的一些問題及注意事項。

本標(biāo)準(zhǔn)中法蘭的壓力等級分為CLASS 25，CLASS 125 和CLASS 250。 其 中CLASS 25 和CLASS 125 的法蘭是可以和ASME B16.5 和ASME B16.47 系列A 的CLASS 150 法蘭連接的，法蘭螺栓孔中心圓直徑除10"差6 mm 外，其他尺寸基本一致，不影響連接，法蘭盤大小完全一致。CLASS 250 的法蘭是可以和ASME B16.5 的CLASS 300 法蘭連接的，法蘭螺栓孔中心圓直徑基本一致，不影響連接，法蘭盤大小完全一致，但是由于CLASS 250 的法蘭可以做成RF 面，它的RF 面的外徑和ASME B16.5的CLASS 300 法蘭的RF 面外徑并不相同，CLASS 250 法蘭的RF 面外徑較大，所以當(dāng)CLASS 250 的法蘭和CLASS 300 法蘭連接在選擇RF 面墊片時，按照ASME B16.5 的的CLASS 300 法蘭來選擇較合適。

本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定螺栓應(yīng)選用A307 GRADE B 材料，螺栓和螺母可以用方頭和六角頭的，這樣規(guī)定是因為灰鑄鐵法蘭壓力等級都不高，所以用低強螺栓并可以采用方頭的。

1.3 歐盟墊片螺栓選用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

歐盟的法蘭標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)在已經(jīng)統(tǒng)一為EN 1092—2018《Flanges and Their Joints-circular Flanges for Pipes Valves， Fittings and Accessories， PN Designated》和EN 1759—2004《Flanges and Their Joints-circular Flanges for Pipes， Valves， Fittings and Accessories， Class Designated》，所以以下介紹的墊片螺栓的選用標(biāo)準(zhǔn)也是圍繞這些法蘭標(biāo)準(zhǔn)進行。

1.3.1 歐盟螺栓選擇標(biāo)準(zhǔn)EN 1515-1—2000

EN 1515-1—2000[9]適 用 于EN 1092—2018 和EN 1759 —2004 的法蘭所用的螺栓選擇。

以下介紹本標(biāo)準(zhǔn)在螺栓選擇過程中提到的一些注意事項。

本標(biāo)準(zhǔn)列出了各種不同壓力、溫度情況下適用螺栓的材料牌號和標(biāo)準(zhǔn)號，但是選擇的時候也需要考慮所輸送的介質(zhì)。

本標(biāo)準(zhǔn)附錄A 規(guī)定了全螺紋螺柱的長度序列要求及粗牙細(xì)牙螺栓的應(yīng)用場合。規(guī)定如下：對于長度在80 mm 及以下的螺栓，長度增加以5 mm 為單位；對于長度200 mm 及以下的螺栓，長度增加以10 mm為單位；對于長度200 mm 以上的螺栓，長度增加以20 mm 為單位。M39 及以上的細(xì)牙螺栓用于化工石化等行業(yè)，M64 及以下的粗牙螺栓用于水行業(yè)。

本標(biāo)準(zhǔn)附錄B 給出了歐盟螺栓材料牌號和英國、法國、德國和美國的牌號對應(yīng)。有這個對應(yīng)關(guān)系，我們在做國際項目時，就可以在不同標(biāo)準(zhǔn)體系之間進行材料代用。

1.3.2 歐盟螺栓選擇標(biāo)準(zhǔn)EN 1515-2—2001

EN 1515-2—2001[10]規(guī)定了PN 系列的法蘭材料和螺栓材料的組合關(guān)系。

本標(biāo)準(zhǔn)和國標(biāo)和美標(biāo)一樣，也是把螺栓分為低強螺栓、中強螺栓和高強螺栓。本標(biāo)準(zhǔn)對于法蘭材料和螺栓材料的這種組合在國標(biāo)和美標(biāo)是都沒有規(guī)定的，由于我國現(xiàn)在還沒有自己的螺栓材料標(biāo)準(zhǔn)，所以我國可以多借鑒歐盟的螺栓材料標(biāo)準(zhǔn)和螺栓材料選擇標(biāo)準(zhǔn)來豐富我國的管法蘭的螺栓標(biāo)準(zhǔn)。

1.3.3 歐盟非金屬墊片標(biāo)準(zhǔn)EN 1514-1—1997

EN 1514-1—1997[11]是配套EN 1092 使用的非金屬墊片標(biāo)準(zhǔn)，壓力等級可以做到PN 63，尺寸可以做到DN 4000。本標(biāo)準(zhǔn)的非金屬墊片可以做成FF 面、RF 面、凹凸面和榫槽面法蘭所用的形式。

1.3.4 歐盟纏繞墊片標(biāo)準(zhǔn)EN 1514-2—2014

EN 1514-2—2014[12]是配套EN 1092 使用的纏繞墊片標(biāo)準(zhǔn)，壓力等級可以做到PN 160，尺寸可以做到DN 1000。本標(biāo)準(zhǔn)的纏繞墊片可以做成FF 面、RF面法蘭所用的形式。

以下介紹本標(biāo)準(zhǔn)在使用過程中會遇到的一些問題及注意事項。

由于本標(biāo)準(zhǔn)壓力等級只做到PN 160，所以對于PN 250 及以上的RF 法蘭所用到的纏繞墊在歐盟是什么標(biāo)準(zhǔn)，不得而知。對于PN 63 以上的凹凸面和榫槽面法蘭如果用到纏繞墊，在EN 1514 中也沒有找到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。

2 結(jié)束語

本文介紹了中國、美國和歐盟關(guān)于法蘭的墊片螺栓選擇的主要相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，從中可以看到，管道法蘭的螺栓選擇，歐盟的標(biāo)準(zhǔn)做得最為完善，螺栓材料種類也最多。美國的螺栓選擇規(guī)定和螺栓材料種類相比歐盟更簡潔一些。中國的螺栓選擇規(guī)定和螺栓材料基本都是參考美國和歐盟的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。墊片和螺栓都屬于壓力管道元件，在我國，它們的設(shè)計和制造都需要拿到制造許可的單位來進行，因此我國的墊片螺栓相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的更新也需要聯(lián)合墊片螺栓的制造廠一起來進行，共同來進行墊片螺栓相關(guān)設(shè)計及材料的研究，尤其是螺栓，早日開發(fā)出我們國家自己的材料標(biāo)準(zhǔn)。