阀门用紧固件的选用和预紧扭矩的计算

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1、阀门承压件用紧固件的选用和预紧扭矩的计算一、阀门常用紧固件的结构承压件用螺纹紧固件的螺距米制普通螺纹是阀门使用最多的机械紧固螺纹，一般每个公称直径的米制普 通螺纹具有多个螺距，有粗牙、细牙、超细牙之分，在HG/T 20613钢制管法 兰用紧固件PN系列、HG/T 20634钢制管法兰用紧固件CLASS系列、DL-439 火力发电厂高温紧固件技术导则、GB/T 12234石油、天然气工业用螺柱 连接阀盖的钢制闸阀等阀门设计标准和紧固件技术导则中，均对紧固件螺距进 行了规定。通过对这些标准的分析后得出，一般公称直径WM27的紧固件采用粗 牙螺距，公称直径M27的紧固件采用螺距为3的细牙螺距，从中可

2、以得出在螺 纹公称直径较大时候，一般都选用较小螺距(细牙)，这是因为细牙螺纹具有螺 纹升角小，自锁能力强、拧紧时扭应力小和拧紧螺母时转动角大易控制等特点， 但是螺距也不是越小越好，超细牙的螺距一般造价较高，常用于精密配合上。(2)承压件用六角螺母的选择和螺柱配合的六角螺母一般分为I型六角螺母和II型六角螺母，I型六角螺 母的厚度m约为0.8d, II型六角螺母的厚度约为1d，d为螺纹公称直径(见图1)。 在HG/T 20613钢制管法兰用紧固件PN系列、HG/T 20634钢制管法兰用紧 固件CLASS系列中规定，与全螺纹螺柱配合使用的螺母，其形式和尺寸符合 GB/T 6175、和GB/T 6

3、176的规定，这两个标准均为II型六角螺母，也就是通常 所说的重型螺母。因此承压件用六角螺母一般均为重型六角螺母。图1六角螺母(3)承压件用螺柱的选择螺柱是机械紧固件工作过程中的主要受力部件，在螺柱、螺母预紧状态下， 螺柱会发生微量的弹性拉伸变形，通过拉伸变形量保证螺纹载荷的持续稳定性。 根据螺纹的受力特点，靠近螺母支承面的第一圈螺纹的载荷最大，而其余旋合螺 纹的分担载荷按序递减（如图2），那么在选择螺柱时，应根据螺柱的结构特点 选择拉伸变形量尽量集中在非螺纹区域的螺柱。如果螺纹的变形量较大会导致紧 固件的载荷失效、或螺纹损坏的危险性。图2螺纹受力示意图常用螺柱通常分为双头螺柱与全螺纹螺柱，双

4、头螺柱是两端为螺纹，中部为 直径相对较小的光滑圆柱体，其在预紧状态下，变形主要集中在螺柱中部较小直 径处，是较为常用的一种螺柱，但在同等公称直径的情况下，双头螺柱有效受力 截面（图3 A-A）较小，因此其通常用于非重要场合的紧固中，例如：支架与执 行器的连接、支架与阀盖的连接。IA图3等长双头螺柱全螺纹螺柱是整个圆柱表面均为螺纹的螺柱，其螺纹成型工艺简单，可车削 或一次性挤压成型。因全螺纹螺柱为近似等截面体，因此在预紧状态，螺柱的伸 长变形也较为均匀，稳定性好，且在同等公称直径的情况下，全螺纹螺柱的螺纹 有效截面积（公式1-1）相对双头螺柱较大，承受载荷的能力也较大，因此阀门 承压部件法兰通常

5、使用全螺纹螺柱。一f（d1 + d 2）、2,全螺纹螺纹有效截面积n* +/4 （式1-1）2 Jd1：螺纹中径d2：螺纹小径图4全螺纹螺柱二、常用紧固件的材料选择常用紧固件材料按照材料的不同通常分为碳钢、低合金钢、不锈钢三种类别; 按照使用工况的温度不同分为常温，低温、高温用紧固件。按照工况腐蚀环境分 为符合NACE要求紧固件、普通紧固件。表1根据紧固件不同使用温度，列出了阀门常用的紧固件材料，在实际选用 紧固件时，还应考虑阀门壳体材料（可参考API 600附录D “阀体与阀盖之间的 连接螺栓”表格）、工况的耐腐蚀性（符合NACR MR 0175或其他耐腐蚀标准）、 紧固件的防腐处理等因素。

6、螺柱和螺母材料的配合，因螺柱承受紧固件的主要载荷，因此通常螺柱的材 料等级比螺母高一级。表2列出了常规紧固件材料的配合规则。在一些特殊情况 下，紧固件材料之间可以代替，例如在使用温度为-73C低温工况时，L7等级的 螺栓可以使用B8级的螺栓代替，原则上是以更好的适用性紧固件材料来代替常 规材料。表1常用紧固件材料对照表名称美标ASTM对应近似国标GB标准号牌号使用温度范围C备注标准号牌号高 温 用 合金 钢/GB 307725Cr2MovA193B7-20538CGB/T 307735CrMoAA193B7M-20538CB7符合NACE标准牌号GB/T 307735CrMoAA193B16-

7、10595C/A193B8W800CGB/T 122006Cr19Ni10A193B8AW800CB8符合NACE标准牌号GB/T 122006Cr19Ni10A193B8MW800CGB/T 122006Cr17Ni12Mo2A193B8MAW800CB8M符合NACE标准牌号GB/T 122006Cr17Ni12Mo2低 温 用 合 金 钢A320L7-101538CGB 307742CrMoA320B8A-254800CB8符合NACE标准牌号GB/T 122006Cr19Ni10A320B8-254800CGB/T 122006Cr19Ni10A320B8M-254800CGB/T 1

8、22006Cr17Ni12Mo2A320B8MA-254800CB8M符合NACE标准牌号GB/T 122006Cr17Ni12Mo2碳 钢 及 合 金 钢 螺 母A1942H-20350CGB/T 69945#A1947-101550CGB/T 307720CrMoA1947M-101550C7符合NACE标准牌号GB/T 307720CrMoA1948-250800CGB/T 122006Cr19Ni10A1948A-250800C8符合NACE标准牌号GB/T 122006Cr19Ni10A1948M-250800CGB/T 122006Cr17Ni12 Mo2A1948MA-25080

9、0C8M符合NACE标准牌号GB/T 122006Cr17Ni12 Mo2A1944-20550CGB/T 307720CrMo表2 常用螺柱、螺母材料组合螺柱螺母标准号牌号标准号牌号GB/T 307735CrMoGB/T 69945#GB/T 307742CrMoGB/T 307720CrMoGB/T 122006Cr19Ni10GB/T 122006Cr19Ni10GB/T 122006Cr17Ni12Mo2GB/T 122006Cr17Ni12Mo2GB 307725Cr2MoVGB 307725Cr2MoVA193B7A1942HA193B7MA1942HMA193B16A1944A1

10、93B8A1948A193B8AA1948AA193B8MA1948MA193B8MAA1948MAA320L7A1947A320B8AA1948AA320B8A1948A320B8MA1948MA320B8MAA1948MA三、紧固件的预紧扭矩计算阀门承压件法兰用螺栓工作时，既受预紧轴向载荷Wa的作用，又受到介质 的轴向载荷Wp的作用。预紧状态下需要的最小螺栓载荷Wa=Fa （式 2-2）Fa二 n*Dg*b*y （式 3-3）Dg：当boW6.4mm时，Dg为垫片接触平均直径；当bo6.4mm时，Dg为垫片接 触外径减去2b。bo：垫片基本密封宽度。凸面、榫槽面、凹凸面配合时bo=N/2。

11、N:垫片接触宽度。b：有效密封宽度：当 boW6.4mm 时，当 bo6.4mm 时，b=2.53*tbo。y：垫片密封比压值（根据垫片材料特性定，可查阅GB/T 150）。操作状态下螺栓最小载荷Wp=F+Fp （式 4-4）F：内压引起的总轴向力F=n*Dg2*P/4（式5-5）Fp：操作状态下需要的垫片压紧力Fp=n*2*Dg*b*m*P （式6-6）。P:设计压力值。m：垫片系数（根据垫片材料特性定，可查阅GB/T 150）。在机械设计中，计算操作状态下的最小载荷还可根据公式：Wp=F +Cl/（Cl+Cf）*F （式 7-7）F ：螺栓预紧载荷。Cl/（Cl+Cf）:垫片相对刚度系数。

12、F:介质轴向力。表3垫片相对刚度系数垫片材料金属(或无垫片)皮革铜皮石棉橡胶CL/(CL+CF)0.20.30.70.80.9对比操作状态下螺栓载荷Wp,预紧状态下螺栓载荷Wa,取较大值作为需要的 螺栓预紧载荷Wz。确定螺栓规格、数量AL Wz/n/1 + d2)2*4/N (式 8-8)2 Jt(Mpa):螺栓材料的许用应力(ASME II D篇性能或查询材料标准)d1(mm):螺栓螺纹中径d2(mm):螺栓螺纹小径N:螺栓的数量螺栓预紧扭矩的确定螺母的旋紧力矩T用于克服螺纹副的螺纹阻力矩T1以及螺母与被连接件支 撑面间的摩擦力矩T2.T (N.MM) =T1 (N.MM) +T2 (N.M

13、M)=KF d (式 9-9)K：拧紧力矩系数。F(N):预紧力 F =Wz/N (式 10-10)d (mm):螺纹公称直径K值为变化系数，在取K值时应根据螺母支撑面的加工状态取值。在无其 他润滑状态下，一般加工表面K值取0.2，抛丸或喷砂表面K值取0.3,氧化表 面K值取0.25。紧固件的合理使用，关乎管线系统是否安全运行。本文对阀门紧固件做了 常规的选用介绍和预紧扭矩计算，供广大阀门设计人员和使用阀门的工程人员参 考。但我们还应注意到，在阀门实际使用中有很多特殊的工况，例如：熔盐光热 系统的交变温度、海水碱腐蚀工况、硫化氢腐蚀工况、LNG超低温工况等。针对 这些特殊的工况，在选用紧固件时还应该依据相关标准对紧固件进行氧化处理、 添加弹簧垫片、涂耐腐蚀涂层、深冷处理、硬化处理等措施，以保证紧固件的安 全使用。引用：GB/T 150压力容器机械设计手册第六版DL-439-1998火力发电厂高温紧固件技术导则HG/T 20592HG/T 20635-2009钢制管法兰、垫片、紧固件实用阀门设计手册第3版