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(2008)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 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（ 或垫圈）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′＝（0.6～0.7） N

合金钢螺栓：F′＝（0.5～0.6）σ_SA_S N

式中：σ_S为螺栓材料屈服极限，MPa；

A_S为螺纹公称应力截面积，mm²。

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＝Δσ_b＝Δσ _c（σ为拉应力）；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F ₀＝F′^＋ΔF＝F″^＋F。

螺拴所受总拉力：



F₀＝F^＋ΔF＝F″^＋F

式中：F＂——被联接放松后的螺栓残余（剩余）预紧力，N，应满足以下条件 ：有紧密性要求F＂＝（1.5～1.8）F，无特殊要求时F＂＝（0.2～0.6）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（工作载荷），N。

F＝（π/4n）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。

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， 危险截面为螺纹的小径，螺纹部分的塑性变形也是一种失效形式，受轴向载荷的螺纹联接， 满足下列情况之一的极易发生螺纹部分的塑性变形：旋合长度较短；非标准螺纹零件构成的 联接；内外螺纹材料的强度相差较大。
3 检修技术要求

①在检修前，必须严格检查各个密封面的完好程度，对于个别有较深径向贯穿凹痕的密封面 ，应避免用局部研磨的方法，可以采用车床加工、整体研磨或更换透镜垫的方法；②有条件 时应尽量采用液压扳手；③如密封面缺陷难以处理，经验证可以在透镜垫处加合适的铝皮来确保密封；④为确保密封 面受力变形均匀和可靠性，应使两法兰面平行度控制在0.02mm以内；⑤检修中应避免两法兰 不同心，否则将产生额外的拉剪应力；⑥螺栓预紧力应在规定极限以内，并应有一定的安全 系数；⑦在高温高压下工作的螺栓和螺母应涂以二硫化钼润滑剂，以防“咬死”。
4 结束语

本文对金属透镜垫的密封实现进行了分析，并着重对螺栓拧紧力矩、螺栓预紧力、工作条件 下单个螺栓载荷进行了理论计算。同时，提出了检修技术要求，以保证检修质量，节省检修 时间和维修费用。
［参考文献］
［1］ 张红兵，杜建红.有限元模型中螺栓载荷施加方法的研究［J］.机械设计与制 造，1999，（6）.

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