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        塔式容器地腳螺栓擰緊力矩計算及應用

        2021-03-23 06:58:24仇放
        化工設備與管道 2021年5期
        關鍵詞:屈服點比率力矩

        仇放

        (中國石油工程建設有限公司,北京 100120)

        塔式容器安裝中最常見的就是用地腳螺栓連接和固定設備,通過擰緊力矩施加預緊力從而防止設備受載荷后出現(xiàn)分離、扭轉或相對滑移,以此增加連接的可靠性和緊密性。實踐表明,地腳螺栓加載的擰緊力矩過大會導致螺栓變形甚至擰斷,擰緊力矩過小則起不到固定設備的作用,對設備相連管線和裝置平穩(wěn)運行產生隱患[1]。

        目前,對地腳螺栓的擰緊扭矩值的確定主要采用以下三種方法:

        (1)緊密擰緊。即AISC 鋼結構安裝指南中地腳螺栓可采用緊密擰緊(Snug Tight)[2],是指連接中的所有層都已通過接頭中的螺栓拉緊并牢固接觸,并且接頭中的所有螺栓均已充分擰緊,在不用扳手的情況下無法卸下螺栓。此方法未規(guī)定擰緊力矩值,直接受有經驗的操作工人影響,最終效果偏差大。

        (2)查表取值。即地腳螺栓擰緊力矩值的確定可以根據(jù)SH/T 3538—2017《機器設備安裝工程施工及驗收通用規(guī)范》[3]、HG/T 20203—2017《化工機器安裝工程施工及驗收規(guī)范(通用規(guī)定)》[4]和API RP 686—2009《機械裝置和裝置設計的推薦實施規(guī)程》[5]進行選取,見表1。此方法受地腳螺栓材質、直徑限制。

        表1 擰緊力矩查表法Table 1 Tightening torque in look-up table method

        (3)實驗法。運用校準的力矩扳手對螺栓進行擰緊測試,記錄每次螺栓失效的最大力矩,計算平均最大失效力矩,取0.6 倍系數(shù)后得到螺栓擰緊力矩[6]。此方法準確度高,但是現(xiàn)場一般不具備做實驗的條件,實用性不高。

        實際工程中,大型設備的螺栓直徑較大,螺栓材料多樣,需要通過計算獲得擰緊力矩。本文通過地腳螺栓的受力分析計算預緊力,進而得出地腳螺栓擰緊力矩的計算方法,并與俄羅斯標準SNIP 2.09.03 MDC 31-4.2000 地腳螺栓擰緊力矩計算方法進行對比分析,從而得出適用于實際工程計算擰緊力矩的方 法。

        1 擰緊力矩計算方法

        1.1 方法(1)基于受力分析的地腳螺栓擰緊力矩

        螺栓在工作狀態(tài)下既受預緊力F0又受軸向載荷F的作用。螺栓在預緊力F0作用下伸長λL,被連接件被壓縮λF,見圖1a。螺栓工作后,在工作拉力F的作用下繼續(xù)伸長Δλ,螺栓總伸長量λL+Δλ,螺栓受到的總拉力為F2;被連接件相應的壓縮量降低Δλ,總壓縮量縮小為λF-Δλ,其受力為F1,即殘余預緊力,見圖1b。

        圖1 螺栓與被連接件受力分析圖Fig.1 Stress analysis chart for bolts and connected parts

        根據(jù)幾何關系可以推導出:

        式中,CL= tanθL為螺栓剛度,CF= tanθF為被連接件剛度,均為定值。

        聯(lián)立公式(1)、(2),可以得出螺栓預緊力F0為:

        表2 預緊螺栓連接所需殘余預緊力F1 及螺栓連接的相對剛度系數(shù)Table 2 Residual preload F1 required for the pre-tightening bolt connection and relative stiffness factor of the bolt connection

        從機械設計手冊可知,螺栓擰緊力矩計算公式如下[7]:

        式中d——螺紋公稱直徑,mm;

        F0——預緊力,N;

        k——擰緊力矩系數(shù),見表3。

        1.2 方法(2)基于俄羅斯標準SNIP 2.09.03 MDC 31-4.2000的地腳螺栓擰緊力矩

        在靜載荷情況下螺栓預緊力F0= 0.75P,在動態(tài)載荷情況下F0= 1.1P。塔式設備主要采用裙座的支撐方式,應根據(jù)以下公式確定最大螺栓載荷下每一個螺栓的計算載荷P[8]。

        式中N——設備軸向應力,N;

        n——螺栓數(shù)量;

        M——設備所受彎矩,N·m;

        y1——設備軸線到最遠螺栓的距離,m;

        yi——每個螺栓到設備軸線的距離, m,見圖2。

        圖2 螺栓分布示意Fig.2 Sketch diagram of bolt distribution

        考慮風載和地震載荷的影響,地腳螺栓會受到剪切力的作用,因此修正的預緊力 需要用以下公式進行修正。

        式中Q——螺栓所受剪切力,N;

        W——設備自重,kg;

        k1—— 擰緊穩(wěn)定性系數(shù),動載荷下取1.9,靜載荷下取1.3;

        f——摩擦系數(shù),取0.25。

        地腳螺栓擰緊力矩TR,按以下公式計算:

        系數(shù)ζ需考慮螺紋的幾何尺寸,螺母端部和螺紋間的摩擦,按表4 進行選取。

        表4 擰緊力矩系數(shù)ζTable 4 Tightening torque factor ζ

        2 實際算例

        以俄羅斯某天然氣處理廠塔式設備為例,設備資料見表5。

        表5 設備匯總Table 5 Summary of equipment

        2.1 擰緊力矩計算

        運用壓力容器設計軟件PV Elite 進行建模計算,可以得出地腳螺栓受力情況。方法(1)中k值取0.2,螺栓連接的相對剛度系數(shù)取0.25,殘余預緊力F1分別以0.2F和0.6F進行計算,計算結果見表6。從表6 計算結果可知,方法(2)計算出的擰緊力矩在方法(1)的范圍內,證明兩種方法計算的結果是有效的。

        表6 擰緊力矩計算匯總Table 6 Summary of tightening torque calculation

        2.2 材料屈服點比率σratio

        從機械設計手冊可知,一般規(guī)定擰緊后螺紋連接件預緊應力不得大于其材料的屈服點的80%。為了對比分析擰緊力矩,從材料屈服強度入手,引入材料屈服點比率σratio,反向推導擰緊力矩公式T=kF0d可得出其計算公式如下:

        兩種計算方法的材料屈服點比率σratio見表7。從表7 可知,材料屈服點比率σratio大于0.6 的為螺栓直徑M56、M64、M72,σratio位于0.5~0.6 的螺栓算直徑為M42、M48,σratio小于0.5 的螺栓算直徑為M24、M36??梢缘贸?,對于同一材料的螺栓,受力越大直徑越大,σratio值越大。

        2.3 工程項目中擰緊力矩的計算方法

        機械設計手冊中碳素鋼螺栓取σratio=0.6 ~ 0.7,合金鋼螺栓取σratio=0.5 ~ 0.6 來計算擰緊力矩,ASME PCC-1-2019 中取σratio=0.5 來計算擰緊力矩[9]。實際工程項目中,地腳螺栓通常會選取同一材料,通過螺栓數(shù)量和螺栓直徑來防止螺栓失效,因此基于同一工程項目和同一材質的地腳螺栓的前提下,結合表7的分析結果,給出以下實際生產中計算擰緊力矩的建議(以計算復雜程度由高到低排序):

        表7 材料屈服點比率σratioTable 7 Material yield point σratio

        (1)大于M56 的地腳螺栓,采用理論計算法。此直徑的螺栓受力大,材料屈服點比率σratio大于60%,因此需要運用計算方法(1)或方法(2),對地腳螺栓進行受力分析,再計算其擰緊力矩。

        (2)大于M42 且小于M56 的地腳螺栓,采用標準給出的簡化算法。此直徑的地腳螺栓受力適中,材料屈服點比率σratio在0.5 ~ 0.6 之間,符合機械手冊或ASME PCC-1-2019 標準中的簡化算法,因此預緊力取0.5 ~ 0.6 倍材料屈服強度來計算擰緊力矩。

        (3)小于M42 的地腳螺栓,采用查表法。此直徑的地腳螺栓受力較小,材料屈服點比率σratio小于0.5,這是由于地腳螺栓材料的屈服強度遠大于螺栓受力,所需的理論擰緊力矩小。采用標準SH/T 3538—2017、HG/T 20203—2017 和API RP 686—2009 的表格推薦值會大于理論計算值,但是推薦值是安全值,可以直接使用。

        3 結束語

        本文通過地腳螺栓受力分析進行擰緊力矩的計算,并引用俄羅斯標準SNIP 2.09.03 MDC 31-4.2000來相互印證,其中提出材料屈服點比率σratio,結合實際工程案例從而得出了塔式設備σratio的變化規(guī)律,以此提出理論計算法,標準簡化算法,查表法并明確使用范圍,以便實際生產中可以快速得到地腳螺栓擰緊力 矩。

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