潘凌峰 鄭小濤

(武漢工程大學機電工程學院,湖北省綠色化工裝備工程技術研究中心 湖北武漢 430205)

隨著我國工業(yè)化程度的不斷普及，螺栓法蘭連接被廣泛應用于石油化工領域、核電領域、航空航天領域[1-2]。由于螺栓法蘭連接數(shù)量龐大且服役環(huán)境復雜而多變，法蘭連接系統(tǒng)的泄漏事故常有發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計，每年由法蘭接頭泄漏所帶來的直接經(jīng)濟損失有數(shù)億元之多[3-5]。在眾多螺栓法蘭連接失效原因中，缺少符合工程實際的行之有效的監(jiān)管規(guī)范一直是最重要原因之一[6]。ASME最早于2000年就頒布了《壓力邊界螺栓法蘭連接安裝指南》[7](以下簡稱指南)，并基于工程實踐經(jīng)驗，于2010年、2013年和2019年分別對指南進行了修訂與更新。本文作者在文獻[1-2]的基礎上，對2019年最新版指南進行解讀，介紹其修訂內容并進行了探討，對于更好地規(guī)范我國壓力邊界內螺栓法蘭的連接工作有一定參考價值。

1 關于ASME PCC-1—2019的簡介

美國機械工程師學會(ASME)于1993年成立了一個負責起草在役設備監(jiān)察和維護工程標準的特別工作組(Ad Hoc Task Group on Post Construction)，以解決壓力設備投入使用之后缺少相關的監(jiān)察與管理的問題。ASME的壓力技術規(guī)范和標準部于1995年成立建設后委員會(Post Construction Committee,PCC)為在役的壓力設備和壓力管道制定相關的監(jiān)察和管理的規(guī)范與標準。PCC于2000年頒布了第一版指南，之后又于2010年、2013年、2019年分別對指南進行了修訂與更新。值得注意的是，2010版指南于2010年1月14日被美國國家標準協(xié)會(ANSI)批準作為國家標準[8]，2013版指南于2013年8月12日被ANSI批準作為國家標準[9]，2019版指南于2019年1月17日被ANSI批準作為國家標準[10]。相較于2013版，新版指南有許多的更新，其中最主要的變化在于兩點：一是在附錄O中引入目標扭矩指數(shù)相關的參考扭矩表(表1M和1)；二是新增了附錄《動力設備使用的注意事項》[10]，提出了動力緊固設備的相關要求。

2019版指南包括16個正文章節(jié)和17個附錄(包括一個已經(jīng)刪除的附錄G)。其中，正文部分的16個章節(jié)相較于2013版指南沒有變化，正文部分針對應用螺栓法蘭接頭的整個過程中所涉及到的檢查、校驗、安裝、拆卸工作提出具體的操作要求。例如操作工人的資質評定，法蘭接頭的找正，墊片的安裝，螺栓的安裝與緊固等過程都涵蓋在正文內容之中。正文內容切實保障了螺栓法蘭連接的可靠性，也保障了相關操作人員的人身安全問題。

附錄部分則是對正文內容的進一步完善與補充。正文所涉及的各項具體技術指標都在16個附錄之中得到了充分說明。各個附錄主要內容為：附錄A是螺栓連接裝配人員的培訓和資格認證；附錄B介紹了指南中的各個術語；附錄C和附錄D則給出了各種墊片接觸面的推薦加工粗糙度以及允許的缺陷深度；附錄E給出了關于法蘭接頭對中的具體操作方案；附錄F是傳統(tǒng)的螺栓緊固序列的代替方案；附錄G是對螺栓安裝服務承包商的介紹，在2019版的指南之中，這部分內容已經(jīng)刪除；附錄H給出了螺栓根部和拉伸應力區(qū)域的信息；附錄I介紹螺栓擰緊期間的彈性交互作用；附錄J和附錄K都是關于目標扭矩的計算方法；附錄L提供了ASME B16.5法蘭螺栓的信息；附錄M給出了全硬化墊圈的使用指南和采購規(guī)范；附錄N是關于螺栓重復使用的相關信息；附錄O提供螺栓安裝時預緊力的計算方法；附錄P提供法蘭連接泄漏故障的排除指南；附錄Q給出了動力設備使用的注意事項。

與2013版指南相比，2019版指南在正文的文字部分進行了多處修訂與更新。與正文部分相比，新版指南的變化主要體現(xiàn)在附錄部分。

2 新版指南的修訂目的

2.1 規(guī)范并完善指南體系

新版指南的正文部分做了較多的關于文字編輯方面的修訂，其主要原因是為了避免讀者產(chǎn)生理解偏差[11-12]。例如正文第一部分的第一段關于指南適用范圍的定義。類似這樣的修訂占據(jù)了2019版指南正文部分更新的很大一部分。除此之外，新版指南還增加了許多腳注來幫助理解，也增加了一些專業(yè)術語的定義。例如增加了正文8.2節(jié)的腳注6，以及附錄A中增加了對高級螺栓裝配工的定義。除以上這2種更新之外，還有一部分更新屬于對舊版指南的勘誤，這部分的錯誤主要集中在表達不規(guī)范以及印刷錯誤。例如附錄O中的公式(O-3)、(O-8)等。

2.2 收錄最新的工程實踐技術

新版指南的主要變化就是刪除了附錄G《螺栓服務中承包商的使用》的內容，以及增加了一個最新的附錄Q《動力設備使用的注意事項》。

隨著螺栓法蘭連接的廣泛應用，傳統(tǒng)手動緊固方式逐漸顯現(xiàn)出越來越多的問題。為了解決這一系列問題，螺栓緊固的動力設備應運而生[13]。新版指南對動力緊固設備從定義、優(yōu)點、缺點、使用注意事項和安裝注意事項等方面進行了系統(tǒng)說明，給讀者一個完備的參考與建議。

3 新版指南修訂內容的討論

3.1 附錄O中的參考扭矩表(表1M和1)

2019版指南的附錄O《裝配螺栓時預緊力的確定》中，給出了螺栓裝配時所需預緊力以及每個螺栓平均扭矩的計算方法[14]。

對于一個典型的螺栓法蘭裝置，裝配所需的預緊力可通過公式(1)計算[15]。

(1)

式中：Sbsel為密封所需螺栓力，MPa(psi);SgT為墊片密封所需螺栓力，MPa(psi);Ag為墊片承載面積，mm2(in.2);nb為螺栓的數(shù)量，個；Ab為螺栓承載面積，mm2(in.2)。

式(1)可以計算密封所需的螺栓平均預緊力，且通過式(2)與式(3)可將其轉換為裝配時所需的扭矩值。其中，式(2)采用公制單位，式(3)采用美國常用單位[16]。

Tb=SbselKAbφb/1 000

(2)

Tb=SbselKAbφb/12

(3)

式中：Tb為裝配螺栓所需的扭矩，N·m(ft-lb);Sbsel為密封所需螺栓力，MPa(psi);K為螺母系數(shù)；Ab為螺栓承載面積，mm2(in.2)；φb為螺栓直徑，mm(in.)。

為了使工程運用更加便捷，附錄O中新增了表O-3.2-1M和表O-3.2-1。這兩張表是基于式(2)與式(3)計算形成，表中列出了單位螺栓力下，螺母系數(shù)分別為0.15、0.18、0.20時的扭矩值。當獲取了目標扭矩指數(shù)之后，再將其乘以螺栓密封所需要的螺栓力，可以直接得到裝配時所需的扭矩值，如式(4)所示[17]。

(4)

其中，表O-3.2-1M如表1所示，表O-3.2-1如表2所示。表O-3.2-1M根據(jù)公制螺紋系列而確立，表O-3.2-1則是根據(jù)英制螺紋系列而確立。在運用到不同的螺紋系列時，需要根據(jù)要求正確地選取相對應的表格。為簡潔描述，文中僅摘錄表O-3.2-1M與表O-3.2-1的部分內容，詳情查閱2019版指南。

表1 基于1 MPa(螺栓有效承載面積)單位預緊力計算低合金鋼螺栓目標扭矩值的參考值(目標扭矩指數(shù)/公制螺紋系列)(部分)

表2 基于1 ksi(6.89 MPa)(螺栓有效承載面積)單位預緊力計算低合金鋼螺栓目標扭矩值的參考值(目標扭矩指數(shù)/英制螺紋系列)(部分)

以表1為例，表格中的目標扭矩指數(shù)由式(2)計算得到。例如，一個M20×2.5的公制螺栓，螺母系數(shù)為0.2。查取螺栓計算手冊以及指南的附錄H，得到螺栓的相關信息如表3所示。

表3 M20×2.5公制螺栓尺寸參數(shù)

則其目標扭矩指數(shù)為

Ti=SbselKAbφb/1 000=1×0.2×217×20/1 000=0.87(N·m/MPa)

若與該螺栓裝配的法蘭為DN80 300級法蘭,在常溫工況下進行計算，螺栓數(shù)量為8個，取設計壓力為5 MPa,墊片選自HG/T 20631—2009《鋼制管法蘭用纏繞式墊片》[18],有效承載面積為2 619 mm2，由API 660[19]可知墊片密封目標應力為200 MPa。

則其裝配時所需的扭矩為

圓整后最終扭矩取為265 N·m。

由上可知這2個目標扭矩指數(shù)表的出現(xiàn)，極大程度地簡化了扭矩值的計算過程。

3.2 附錄Q《動力設備使用的注意事項》

附錄Q《動力設備使用的注意事項》是在指南中首次出現(xiàn)，這說明動力緊固設備起著越來越重要的作用。例如，大型號螺栓在安裝時往往需要使用錘擊法，但螺栓受沖擊力容易發(fā)生“咬牙”和“剃牙”。為了解決這一系列問題，緊固螺栓的動力設備應運而生。隨著動力設備在螺栓緊固環(huán)節(jié)中的使用，迫切需要對其進行更深的理解與掌握，這樣才能保證正常使用這些工具來達到緊固目的。附錄Q就是為使用動力設備組裝壓力邊界螺栓法蘭時，對可能需要考慮的其他注意事項進行說明。

動力設備可以包括液壓、電動或氣動螺栓擰緊工具。附錄Q中一共介紹了2類、共3種動力設備，分別是氣動和電動扭矩扳手、液壓扭矩扳手、液壓拉伸器[20]。其中，氣動和電動扭矩扳手分別由空氣、電動馬達組成，通過減速齒輪系統(tǒng)連接到裝配套筒上，其優(yōu)點是使用起來迅速便捷，相較于液壓扭矩扳手往往更加方便，缺點是這二者的使用精度很難得到保證，會受到諸如氣體參數(shù)、電池電量等諸多因素的影響。在使用時，氣動與電動扭矩扳手的使用方法與手動扳手相同。

液壓扭矩扳手是使用小液壓缸，通過套筒或連桿向工具施加扭矩[21]。液壓扭矩扳手有2種常見的類型：方形驅動型和低矮型。其中，方形驅動型液壓扭矩扳手可以通過類似于手動扭矩扳手的方法，替換標準的沖擊套筒來覆蓋更大螺栓直徑范圍。低矮型液壓扭矩扳手所需的螺母間隙較小，并且由于螺母的固有對齊方式、扭矩的施加點和扭矩的反作用力等因素，低矮型液壓扭矩扳手在大多數(shù)情況下更易于使用。此外，與方形驅動型液壓扭矩扳手所使用的套筒相比，低矮型液壓扭矩扳手可在有更多螺柱的情況下使用。液壓扭矩扳手的使用相對而言也較為容易，使用方法類似于手動扭矩扳手，并且能夠應用于各種扭矩水平。方形驅動型液壓扭矩扳手可以產(chǎn)生更高扭矩水平，其對于大直徑螺栓的拆卸更有效。但是，液壓扭矩扳手最大的缺點就是所需的安裝時間較長以及螺栓載荷變化較大。

液壓拉伸器是采用小型中空液壓缸，通過螺紋擰到螺栓的末端，通過缸中的液壓將拉伸力作用在螺栓上[22]。螺栓獲得所需的螺栓載荷后，就將螺母旋轉到與法蘭接觸的狀態(tài)，并釋放拉伸器壓力，使螺栓載荷轉移到螺母上。在載荷傳遞到螺母上時，所施加的拉伸載荷部分損失，這稱為螺母載荷損失系數(shù)(NLLF)。如果使用的拉伸器覆蓋率小于100%，即拉伸器個數(shù)小于待固緊螺栓個數(shù)，則在擰緊第二組及以后的任何一組螺栓時，由與其他部件的變形作用，例如法蘭變形和墊圈壓縮等，這會導致先前擰緊的螺栓載荷進一步降低，這種載荷損失稱為螺栓載荷損失系數(shù)(BLLF)。NLLF與BLLF最早由Warren Brown于2014年在《Hydraulic Tensioner Assembly:Load Loss Factors and Target Stress Limits》一文中提出，且NLLF與BLLF的具體計算如下所示：

(5)

LR=R1·LI

(6)

式中：R1為螺母載荷損失系數(shù)(NLLF)；LR為螺栓殘余載荷(N)；LI為初始螺栓載荷(N)；hG為法蘭力矩臂(mm)；qf為法蘭剛度(rad/N)；qb為螺栓剛度(mm/N)；qg為墊片剛度(mm/N)；nb為螺栓數(shù)量；qN為螺母剛度(mm/N)。

(7)

LR,A=R1·LI,A-R1·R2·LI,B

(8)

式中：R2為螺栓載荷損失系數(shù)(BLLF)；LR,A為螺栓殘余載荷,A部分(第一組)螺栓(N)；LI,A為初始螺栓載荷,A部分(第一組)螺栓(N)；LI,B為初始螺栓載荷,B部分(第二組)螺栓(N)。

液壓拉伸器通常用于M50及更大的螺柱，在正確應用的前提下，液壓拉伸通常快捷和準確。由于沒有扭力和螺紋磨損，也可以提高螺柱壽命，螺栓再利用的風險就變得更小。此外，液壓拉伸器以均勻加載的方式同時在螺栓周圍施加載荷，這會使得墊片壓縮更均勻，彈性相互作用更少，從而降低了螺栓法蘭組裝過程中墊片損壞的可能性。

液壓拉伸十分依賴NLLF和BLLF這2個值的準確估算或計算。如果未以合理的精度水平確定這些損耗因子的值，則該方法可能不如扭矩控制準確。特別是在短螺栓(通常認為螺栓長度與公稱直徑之比小于5)的情況下。

液壓拉伸的高效性還體現(xiàn)在緊固方式可以采用全部或部分螺栓同時拉伸緊固。圖1與圖2分別展示了以24路螺栓為例時，100%螺栓拉伸器覆蓋率與50%螺栓拉伸器覆蓋率時，法蘭螺栓裝配的操作步驟[23]。

圖1 100%螺栓拉伸器覆蓋率

圖2 50%螺栓拉伸器覆蓋率

100%螺栓拉伸器覆蓋率時，操作步驟如下：

步驟一：螺栓拉伸器按規(guī)定安裝好之后，所有螺栓同時承受70%的螺栓裝配載荷，并測量法蘭之間的間隙。

步驟二：所有螺栓同時承受105%～150%的螺栓裝配載荷(壓力倍增系數(shù)為1/NLLF)，并測量法蘭之間的間隙。

為了最大程度地減少松弛，最后在不測量法蘭間隙的條件下，將螺栓拉伸器的壓力從0加到滿載，并擰緊螺母。重復幾次，直到螺母不發(fā)生移動時移除螺栓拉伸器。

50%螺栓拉伸器覆蓋率時，操作步驟如下：

步驟一：將所有螺栓間隔式分為2組，且對第一組施加70%的螺栓裝配載荷，并測量法蘭之間的間隙。

步驟二：在同一組螺栓上同時施加110%～200%的螺栓裝配載荷(壓力倍增系數(shù)為(1+BLLF)/NLLF)，并測量法蘭之間的間隙。為了最大程度地減少松弛，將螺栓拉伸器的壓力從0加到滿載，并擰緊螺母。重復幾次，直到螺母不發(fā)生移動為止。

步驟三：在第二組螺栓上同時施加105%～150%的螺栓裝配載荷(壓力倍增系數(shù)為1/NLLF)，并測量法蘭之間的間隙。為了最大程度地減少松弛，最后在不測量法蘭間隙的條件下，將螺栓拉伸器的壓力從零加到滿載，并擰緊螺母。重復幾次，直到螺母不發(fā)生移動時移除螺栓拉伸器。

步驟四：在第一組螺栓上至少安裝4個螺栓拉伸器，施加100%的螺栓裝配載荷，如果用手轉動螺母，則應將所有第一組螺栓都拉緊至裝配載荷的105%～150%(與步驟三中的值大小相同)，然后在螺栓的下一個位置重復此檢查，直到螺母的移動量小于規(guī)定的極限。

以上裝配方法是以24路法蘭螺栓為例，具體的100%螺栓拉伸器覆蓋率與50%螺栓拉伸器覆蓋率時的螺栓拉伸器的使用方法需要參照指南中的詳細說明。

對于螺栓拉伸器覆蓋率小于50%的情況，其步驟與50%覆蓋率時的步驟相類似。只是會多出許多操作步驟與檢查步驟。但事實上，隨著使用的螺栓拉伸器數(shù)量的減少，該方法的精度大幅降低(由于額外的交互作用的發(fā)生)，實現(xiàn)相同精度所需的程序長度大幅增加，在這一點上，扭矩組裝可能會變得同樣準確，通常實質上更快。若仍然堅持使用螺栓拉伸器，則可以通過合理地調高螺栓所承受的載荷(需滿足螺栓張緊器的載荷限制與螺栓法蘭接頭的屈服限制)，從而有效地減少操作的步數(shù)，并且獲得更精確的螺栓應力[23]。

4 結語

螺栓法蘭連接在壓力容器以及管道中應用十分廣泛，指南在切實保障螺栓法蘭連接安全性方面起到了關鍵作用。在2019版指南之中，正文部分雖然在主體上沒有太多變化，但是增加了多處注釋與腳注。這一系列變化幫助讀者更加準確地理解指南所傳達的意思。新版指南的主要變化是附錄部分：刪除了附錄G《螺栓服務中承包商的使用》的內容，基于工程經(jīng)驗新增了附錄Q《動力設備使用的注意事項》，體現(xiàn)了工程經(jīng)驗方面的最新成果，提升了指南在工程應用方面的嚴謹性和指導價值。

綜上所述，2019版指南經(jīng)過修訂與更新之后，變得更加完善、全面與具體，這給我國目前螺栓法蘭連接的工程安裝工作以很多參考與啟示。企盼我國早日推出這一方面相關的標準，從而更好地規(guī)范我國壓力邊界內螺栓法蘭的連接工作，以保證螺栓法蘭連接的安全性與可靠性。