高温下工作螺栓预紧状态变化研究及应对措施

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第31卷 第5期2013年 10月轻工机械hf Industry MachineryVo1．31 NO．5Oct．2013[环保 ·安全]高泪／rm．下 同 I、
DOI：10．3969／j．issn．1005-2895．2013．05．026工作螺栓预紧状态变化研究及应对措施管建军 ，孙一伦 ，张大群 ，宋尔明(1．辽宁石油化工大学 机械工程学院，辽宁 抚顺 113001；2．中国石化工程建设公司 工厂系统室，北京 100101；3．中石化催化剂长岭分公司加氢车间，湖南 岳阳 414012)摘 要：常温下预紧螺栓升温到高温时螺栓及法兰的应力应变的改变会对密封状态产生影响。文章首先在各应变均匀一 致的假设前提下通过理论推导得到预紧后螺栓的应变大小和升温后密封状态的变化，其次采用有限元软件对常温预紧、升温及再次预紧过程中的螺栓、法兰的应力应变变化进行了分析，最后考虑了蠕变和应力松弛效应对螺栓轴力的影响。文中认为在常温下预紧的螺栓在高温工作时应再次拧紧，如此才能保证高温下的密封状态和常温下保持一致。再次拧紧的应变为法兰与螺栓的热应变之差；若高温下再次拧紧后降温则应拧松螺栓，防止损坏垫片；高温时螺栓轴力不能过高，否则易于在较短时间内降低密封性能，而且应定期拧紧螺栓。

关 键 词：螺栓；预紧；密封性能；应力松弛中图分类号：TH131．3 文献标志码：A 文章编号：1005—2895(2013)05-0104-04Research on Pre-tightened Status Change of Bolt under HighTemperature and CountermeasuresGUAN Jianjun ，SUN Yilun ，ZHANG Daqun。，SONG Erming(1．Colege of Mechanical Engineering，Liaoning Shihua University，Fushun，Liaoning 113001，China；2．SINOPEC Engineering Incorporation，Beijing 100101，China；3．Hydrogenation Workshop ot’Changling Branch of China Petrochemical Corporation，Yueyang，Hunan 414012，China)Abstract：The stress and strain of the pre—tightened bolt and flange heated to high temperature from ambient temperaturewould have a change and have an influence on sealing performance． Firstly， the changes of strain and sealingperformance were analyzed under the hypothesis that the stain of different parts was uniform．Secondly，the stress andstrain under the state of pre—tightened，heated and re—tightened process were analyzed by FEA software．Lastly，theeffect of creep and stress relaxation on axial stress of bolt was estimated．Following conclusions were drawn，the bolt pre—tightened at ambient temperature should be re—tightened to sustain the status of sealing perform ance when working at hightemperature．The re—tighten stain was equal to thermal strain difference of flange and bolt．The re—tightened bolt shouldbe loosened to avoid damage of spacer when cooled to lower temperature．The axial stress of bolt should not sustain highlevel otherwise the sealing performance would be deteriorated in a short time．It was suggested that the bolt should betightened at regular intervals.

Key words：bolt；pre-tighten；sealing performance；stress relaxation化工容器法兰接口的密封面需要靠螺栓经预紧形成的较高拉应力来保证其密封性。螺栓的预紧力是影响密封的一个重要因素，预紧力必须使垫圈压紧并形成初始密封条件，同时预紧力也不能大到将垫圈压坏或挤出?。化工设备多在常温下制造安装，然后进行调试运行。在常温下螺栓的预紧问题已有很多研究者收稿日期：2013-03—07：修回日期：2013-04—10作者简介：管建军(1977)，男，湖北公安人，博士，讲师，主要从事石油化工设备失效分析、焊接结构疲劳与断裂数值模拟等方面的研究。E-mail：jguan—hi###163．COrn[环保 ·安全] 管建军 ，等：高温下工作螺栓预紧状态变化研究及应对措施 ·105·作出了详尽的研究[2-5]。GB150只对常温下预紧力的计算进行了规定，没有考虑高温下设备是否能在该预紧力作用下保证垫片的密封性能。而设备使用方非常关心常温下已预紧的螺栓是否在高温下需要再次拧紧螺栓，以防止发生泄漏事故。同时他们需要制定相应的操作指导，利于设备的安全稳定运行。设备的设计者也应在设备的设计过程中考虑该问题。

由于螺栓与法兰材料在多数情况下，材质不同，其热膨胀系数不同，必然导致两者在经历相同的热循环情况下热变形不同而影响法兰与垫片之间的贴合状态。若化工设备在高温下运行较长时间，由于螺栓会出现蠕变 、应力松弛等效应，也会影响螺栓的应力状态，对法兰的密封性能产生影响。文中分析了这 2种状况的影响：温度变化的即时影响和长期在高温下运行时由于发生蠕变和应力松弛时的影响。

1 温度变化的即时影响1．1 理论分析为简化分析，假设垫片材料与法兰相同，垫片的宽度与法兰的厚度相当，这样将法兰与垫片可以视为一个整体。2螺母相对端面之间的预紧位移由螺栓的拉伸变形和法兰的压缩变形共同组成。螺栓和法兰所承受的作用力都等于预紧力，该预紧力也等于螺母上承受的力。但由于法兰的承载面积大，其应变要小，螺栓的应变要大。假设法兰在 2螺母之间的部分承受的压缩应变是均匀的，预紧应变为 ，则法兰所承受的压缩应变 。和螺栓所承受的拉伸应变 ：通过求解下列方程组得到1+ 2= (1)／41El l=A2E2s2=A3E3 3 (2)E ， 和E 分别为法兰、螺栓和螺母的弹性模量，A ， 和A 分别为法兰、螺栓和螺母的横截面积，计算得到预紧后螺栓所承受的应变为o~2 =A．E (3)若假设螺母与法兰接触部位的应变均匀，且等于法兰的应变则有A3E3 (4)设常温预紧后螺栓两侧螺母之间的距离，也就是2个法兰被夹紧后的厚度为 ，升温或降温后 ，在没有任何拘束的情况下，2个法兰厚度的变化为 AL =L。×Ot。×(T。一r0)，2螺母之间螺栓长度的变化量为 △L2=L0× 2×(T 一r0)。设法兰的材料为16Mn，螺栓的材料为35CrMo。16Mn在20-500℃之间的热膨胀系数 Ot．为13．71×10～m／K，35CrMo在20～600℃ 之间的热膨胀系数 O／2为 14．6×10 m／K 。升温时ALlAL (代数式)，意味着法兰的热收缩要小于螺栓的热收缩，螺栓则需适当的卸载，以免损坏垫片。

升温后若要使得螺母与法兰之问的夹紧状态与升温前保持一致，则应进一步拧紧螺栓，使得螺母相对端面之间的间距变短，法兰进一步的压缩变形和螺栓的拉伸变形之和等于(△ 一AL )。反之，降温时应拧松螺栓，2种变形之和等于(AL 一AL )。也可以采用式(1)和式(2)进行计算。这样 2法兰接触部位的应变应和升温前保持一致。

1．2 螺栓预紧、升温及再次拧紧过程有限元应力分析为对理论分析进行验证，特建立了相应状况下的有限元分析模型，见图 1。为简化计，模型用螺栓连接的是2个对称的法兰，因为螺栓和法兰的结构，以及载荷具有轴对称分布的特点，图中只建立了3个螺栓，并在 2法兰的侧面建立了循环对称边界条件。在 3个螺栓的中截面建立了预紧单元。整个求解过程分为 3步：第 l步施加预紧载荷，采用位移加载方式 J，预紧应变为 0．1％；第 2步在保持预紧载荷的基础上所有节点施加温度载荷，采用渐变方式加载，最高温度为500~C；第 3步则在保持上述载荷的基础上再次施加(AL 一AL。)／L。大小 的再 紧应变。螺杆直径为 24mm，螺母六面体对角线长度为42 mm，螺杆截面积为452．16 mm ，螺母与法兰接触面的面积为 693．59mm 。2法兰连接面的面积为48 960 mm 。螺母和螺杆的材质均为 35CrMo，法兰材质为 16Mn。2种材料的物理性能见表 1。

图 1 有限元模型Figure 1 Finite element model轻工机械 Light Industry Machinery 2013年第5期表 1 35CrMo和 16Mn的物理性能Table 1 Physical property of 35 CrMo and 1 6 Mn steel施加预紧载荷时的法兰和螺栓的轴向应力分布图2和网3所示。法兰仅在螺栓孑L附近承受较大的压应力，其它部位应力值很低。螺栓也仅在螺母与法兰接触部位应力值较高，在中部螺杆部位，应力值较为均匀，约为 181．6 MPa。升温到 500℃后以及再次拧紧螺栓时法兰和螺栓的应力分布状况与预紧时类似。

图 2 预紧时的法兰轴向应力／MPaFigure 2 Axial stress of pre—tightened flange图 3 预紧时的螺栓轴向应力／MPaFigure 3 Axial stress of pre—tightened bolt螺杆特征点上沿螺杆轴向的应变时间历程曲线见图4。在螺杆中部节点的应变曲线完全重合，表明中部节点的应力应变在整个操作过程中始终保持均匀一致。预紧后螺杆中部的最大应变为0．085 3％。由图4可以看到螺母与法兰接触部位的应变不均匀，内侧压缩应变大，而外侧小，其平均值为 一0．064 O％。为简化模型，螺母与螺杆之间接触面采用共节点方式进行耦合，因此螺杆与螺母共节点的地方应变值较低，在完全预紧后，其值为0．036 9％。升温到 500 oC后，以上各应变幅值均有所降低，分别为0．049 2％，一0．0367％和0．021 3％。而在500 oC再次拧紧后，各点应变恢复到升温前的状态。

0 100 O8OO6、 。 0 04o 020群- 0 O2- 0 04— 0 06t 螺栓中部17点I～ ◆一螺栓中部节点2— 一 螺栓 螺母共节点V- 虫岽撙 勺 压 羔 馁 触 冈 1则 '1 3一 螺世 与法、 棒触外倾I节 点Jr { l■／ 娄 {■。 I ／ 一 — ▲一 _ I l —▲r一 一 预紧阶段 升温阶段r_． ． ． ． .

! 5 1O l 5 )一 H,j~ [n j／mi n图4 螺栓上特征点轴 向应 变变化 曲线Figure 4 Axial strain of representative points on bolt法兰特征点上沿螺杆轴向的应变时间历程曲线见图5。法兰上各点的应变分布是极不均匀的。法兰与螺母接触部位靠近孔边的轴向应变要高一些，为压应变，其最大值为 一0．003 53％。而与螺母外侧边缘接触的点则要低得多，在整个历程中最大值为 一0．00052％。而处于螺栓节圆上与2螺栓等间距的点的应变则更低。由于螺栓处于法兰的外侧，因此，法兰的外壁上的点受到压缩，而内壁上的点则受到拉伸。

0 O01O- 0 004— 0 005图5 法兰上特征点轴向应变变化 曲线Figure 5 Axial strain of representativepoints on flange根据式(3)计算得到的螺杆拉应变应为1 2 3 O O O
O O O O O O 一 一 一＼ 毯唇暴[环保·安全] 管建军，等：高温下工作螺栓预紧状态变化研究及应对措施AlE1— ×0．1％ _0．097 3％48 960 2 09 3 452 16 2 13× ． + × ． × ． ‘ ? 一 一而根据式4)计算得到的螺杆拉应变应为3E3 A36 一A
，E，+A，E， p— A1+A． p 一丽 ×0．1％ -0．060 5％数值计算表明螺栓中部的应变介于上述两者之间。说明法兰中承受压应变的范围大于其与螺母接触面积的范围，但小于其总截面积。式(3)表明螺母的截面积越大，在产生相同的预紧应变时，螺栓所承受的应变越大，其轴力也越大。

2 蠕变和应力松弛的影响由于高温下长期工作时螺栓会发生缓慢的蠕变变形，同时也会发生应力松弛现象。发生蠕变时，螺栓的长度会增加，导致螺栓两侧螺母之间的距离增加，法兰的压紧程度降低，密封性能会降低；发生应力松弛时，弹性变形会转变为塑性变形 ，此时螺栓的轴力因弹性应变的减少而降低，尽管两侧螺母之间的距离没有变化，但螺栓的轴力降低了，法兰的压紧程度也降低了，密封性能同样会降低。因此，设备在高温下长期工作一 段时间后 ，有必要检查螺栓的轴力是否也能满足规范的要求。

螺栓中的应力由初始预紧应力 or 下降到 or时所需要的时间南式(5) 确定[ 一( )一 ] (5)对于 CrMo钢，其在550℃下蠕变速率公式中的B= 5．998 X 10 ，n=1 1．811，E为弹性模量。

由式(5)计算得到不同预紧力下 or／or 取不同值时所需要的时间，见表2。

表 2 螺栓轴向应力随初始预紧力降低不同幅度所需时间t×10 ／hTable 2 Interval time when the axial stress of bolt decrease from different initial pre-tightened stress by various rates从表 2可以看到，常温下的预紧力(应力)对螺栓材料的蠕变存在非常大的影响。如果在高温下保持常温下的预紧力 ，则需要在较短的时间间隔内再次拧紧螺栓。预紧应力处于 80 MPa时，若要求应力下降10％就拧紧的话 ，其时间间隔约为 10个月。在高温工作时，预紧力不宜取较高值。

3 结论通过上述理论分析、有限元应力分析以及数值计算，得到如下结论：1)若不考虑蠕变及应力松弛因素，当螺栓与法兰热膨胀系数存在较大差异且温度变化时，螺栓的轴力会发生变化，其降低幅度与材料热膨胀系数差异大小和温度变化幅度有关。常温下按操作规范预紧的螺栓 ，在升温一定幅度后，若要保持常温下的压紧密封状态，则需要将螺栓再次拧到规范规定的预紧应变，再次拧紧的应变量为法兰与螺栓的热应变之差；当温度下降时，则需要逐步拧松螺栓，防止压力过大损坏垫片。

2)考虑蠕变及应力松弛效应，因此在高温时，螺栓中的轴向应力不宜过高，否则在较短的时间间隔内轴力会下降很多，会缩短再次拧紧螺栓的时间间隔。因此可根据式(5)来计算再次拧紧螺栓所需时间问隔。

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