接触式测温仪表安装中拧紧力矩的分析和确定

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1 螺栓连接和预紧力随着我国经济的快速发展，能源需求越来越大，国家规划发展核电，由于核电项 目对安全要求的特殊性 ，因而-切配备的装配也有特殊要求。测温用的热电偶、热电阻在核电中应用广泛，对它们的要求非常严格 ，这在各种技术指标 中也都有体现，包括现巢装也有相应的规范。

在过去的热电偶、热电阻现巢装 中，通常由安装人员凭经验和感觉来操作，而实际上，这些仪表安装中螺纹连接时所谓鹏状态是相当重要的，它有-套科学的理论依据和计算方法，通过科学的分析和采用适合的操作工具，才能达到规范要求。现巢装的效果对产品、设备的正常运行有着重要的影响。热电偶、热电阻等接触式测温仪表的现巢装有多种形式，本文就较为普遍和广泛应用的螺纹连接这-安装方法作分析讨论。

接触式测温仪表在安装时用螺纹连接 的，预紧力的控制有力矩法、螺母转角法 、伸长量控制法 、拉伸法等几种方式。而其中力矩法为应用最广泛的-种控制方法 ，以下进行讨论。

1.1 螺栓鹏中的物理变化鹏是螺纹连接 中最基本的概 念，鹏就是使被连接体紧密贴合，并使被连接体具备足够的压紧力，以确保被连接体连接可靠并能正常工作。鹏后，在螺纹(螺栓 )的轴 向产生预紧力 (拉应力 )，从 图 1中可 以看到预紧力 和鹏力 矩随螺栓 鹏过程 (即转 角增加)而发生的变化。真正的鹏开始时，预紧力 F和鹏力矩 随转角 4的增加而迅速上升，在螺栓开始塑性变形后，虽转角增加，而预紧力和鹏力矩却基本保持不变。若再继续拧，预紧力和鹏力矩反而下降，收稿 日期 ：2013-05作者简介：葛瑛华(1965-)，女，工程师，从事热电偶、热电阻设计和工艺方面的技术工作。

· 34· 仪 表 技 术 2013年第 8期甚至出现螺栓断裂现象。

图 1 拧 紧过 程 中量 的 变 化1.2 预紧力与鹏力矩 的关系预紧力是由施加 的扳手力矩 的大小来控制的 ，螺栓连接的鹏力矩是指达到要求预紧力时的扳手力矩 ，用 来表示 ，拧 紧力矩主要是用来克服螺纹阻力矩 和螺母与被连接件 (或垫圈 )支承面间的端面摩擦阻力矩 。

T F tan 知 ÷× 。d l 20 Fo- ÷-KFo(1)式中： 为鹏力矩 ；K为拧 紧力矩系数；F 为预紧力(N)；d为螺纹公称直径 (mm)。

鹏力矩系数 ：～ c ×式中：d：为螺纹中径(mm)；d。为螺纹外径(mm)； 为螺纹升角；P 为螺纹 当量摩擦角 ； 为螺母与被连接件的支承面间的摩擦 因数 ；D 为与支承平面连接的螺母或垫圈的直径。

从式(1)中可 以看 出，鹏力矩 与预紧力 成正 比例关系，比例系数是鹏力矩系数 。摩擦因数 会影响 K的取值，对预紧力 F的影响是非常大的，它们的关系如图 2所示。-般的普通螺纹 M12.64，其鹏力矩系数在 0.1～0.3之间。

图2 摩擦因数对预紧力的影响当螺栓、螺母、垫圈、被连接件等确定以后，在指定的工作环境和状态下 ，鹏力矩系数是固定的，这就表示了在该种情况下的预紧力可以由施加的鹏力矩的大婿定。

2 与预紧力有关的因素预紧力的大小根据螺栓组件受力和连接 的工况条件决定。-般规定螺纹连接件的预紧力不得大于其材料屈服极限的 80%，预 紧力的推荐值为其材料屈服极限的 5O%～70%。

在螺栓的鹏力矩的设计中，要考虑螺栓的强度 ，垫片、垫圈的性能等因素。

2.1 螺栓的强度所谓保证螺栓的强度就是不可以因鹏力矩过大导致螺栓的屈服而损坏 ，预紧力不得大于材料屈服极限的 80%，推荐用预紧力的限值为：碳素钢螺栓 F。(0.6～0.7)IT A合金钢螺栓 F。(0.5～0.6)IT A式 中： 为螺栓材料 的屈服点(MPa)；A 为螺栓公称应力截面积(mm )。

在-般情况下式 (1)中 取 0.2，则 ：T0.2F0d0.12ITsAsd (2)这种计算方式在不考虑垫片的密封性能时 ，可 以作为实际鹏力矩来使用 。

2.2 垫片、垫圈的密封性能在接触式测温热电偶、热电阻的螺栓连接安装中，-般都采用垫圈来进行密封连接，因为螺栓的强度较高，对于预紧力的确定来说，更要关注的是密封垫圈的要求。

密封垫片、垫圈的强制密封有两个条件 ：预密封条件和操作密封条件 。

2.2.1 预密封条件从微观上来说，不管加工多么精密，其密封面总是凹凸不平的，存在沟槽，这些沟槽的存在，就成为密封面的泄漏通道。利用垫片在预紧力的作用下 ，使垫片表面嵌入到密封面的凹凸不平的地方，将沟槽填满 ，以消除泄漏通道。因此在垫片单位有效密封面积上应有足够的力，称为垫片的密封比压力 ，用 Y来表示 ，不同的垫片有不同的比压力，垫片材料越硬，比压力越大。预密封条件下，垫片所需要的预紧状态下的压紧力 F 为：F。3.14DGby (3)式中：D 为垫片压紧力作用中心圆直径；Y为垫片的比压力 ；b为垫片的有效密封宽度。

此时，螺栓在预紧状态下所需的最小螺栓载荷(即螺栓预紧力)为：W。F 3.14D by (4)2.2.2 操作密封条件经预紧达到密封条件的密封面，在管道的内压作2013年第 8期 仪 表 技 术 ·35·用下使热电偶、热电阻的轴向受力，密封面会产生分离，导致垫圈与密封面间的压紧力减小，产生微缝隙，管道介质在内压下有可能通过缝隙造成泄漏。为保证密封效果，必须使垫片与密封面间有足够大的流体介质阻力，只有在其阻力能大于由介质内外压差产生的推动力时，垫片才能保证密封面不产生泄漏。施加于垫片单位有效密封面积上 的压 紧力与其 内压力 的比值，称为垫片的垫片系数，用 m表示，不同的垫片有不同的 m值，m随垫片的硬度增大而增大。垫片系数 /7/，由密封试验临界泄漏状态的垫片压紧力除以垫片面积及密封压力得出，在原始测定时，垫片面积取值为 2倍垫片有效密封面积，所以垫片保持操作密封的最小压紧力 F p为 ：F 6.28DGbmp。 (5)式中：D 、b同前式；m为垫片系数；p 为管道额定压力。

把操作状态下内压引起的总轴向力 F考虑进去，那么在操作状态下所需的最小螺栓载荷为：FF 0.785Dp 6.28Dcbrap (6)式(4)、式 (6)是根据密封的最基本 的要求 ，得出所需螺栓的最小鹏力 ，在适 当的范围内，鹏力矩应取最大的值。但是，垫片在螺栓预紧时如承受过大的压紧力，有可能被压缩成塑性变形而失去回弹能力，当密封面在介质内压作用下产生分离时，垫片不能产生回弹来贴紧密封面，使其不能保持足够的接触力 (即垫片的压紧力)而引起泄漏。因此 ，垫片在预紧时，为消除泄漏通道达到预密封要求，既要压紧以使其单位有效密封面积上的压紧力不小于Y值(即垫片的比压力 )，又不能使其压紧力过大以防止被压成塑性变形 ，使垫片失去弹性，导致在内压的作用下产生泄漏。对于平面密封情况 ，为防止垫 片被压成塑性变形应控制垫片预紧力最大值不可超过 4y。那么可以得出螺栓的最大预紧力 为 ：3.14D b·(4y) (7)2.3 预紧力的选择通过 以上 的分析 ，可以得出在热电偶 、热电阻的管道螺纹连接 中，要考虑到螺栓 的预紧力 ，密封垫片的预紧状态下的压紧力 ，操作密封状态下的压紧力以及垫片达到破坏极限的压紧力 ，选择合适的鹏力矩对螺栓连接是至关重要的。它必须保证密封垫片的密封，又不可使密封垫片损坏或超出螺栓的许用最大预紧力。-般来说，在保证密封情况下，鹏力矩在允许的范围内应该取大值，因为预紧力越大，螺栓的轴向力越大，连接的可靠性、紧密性、防松能力和抗疲劳性能就越好，因此最合适的预紧力应是 和 F。

中之-，也就是说 ，在预紧力的计算过程中，主要考虑的因素是垫片最大所能承受 的压紧力 ，还有螺栓 的最大许用预紧力。在计算结果中，取两者之中的较小值，以确保安全。

3 鹏力矩的计算在产品中的应用图 3中的测温热电阻是核电海阳成套项 目中的产品 WZPR2-236T1 Ptl00，其 中螺栓为 M272，螺栓规格d27，螺距 P2。

图 3 产 品 安 装 示 意 图3.1 螺栓的计算过程螺纹原始三角形高度为 ：H0.866×P1.732 mm外螺纹卸 ：5d ：d-2×--×H24.8 mm8外螺纹 中径 ：3d d-2×--×H25.7 mm8计算直径 ：1d3dl- ×日24.5 mm螺栓公称应力截面积 ：竿) 4螺栓材料屈服强度 ： 137 MPa由式(2)计算鹏力矩：0.120"5×A s×d219.53 N ·m由式(2)得出螺栓的预紧力：F 40 653.7 N3.2 密封垫圈的计算过程在实际应用时，-般认为 O型垫圈和垫片的密封形式基本相同，所以通成以用垫片密封来估算 0型垫圈的密封的分析。

· 36· 仪 表 技 术 2013年第 8期密封垫圈有效应力截面积的尺寸 ：外径 qb35 mm、内径 qb27 mm，紫铜材料 。

根据GB150.3-2011《压力容器第3部分：设计》所述：(1)垫片接触宽度 N：(35-27)/24 IllI'D(2)垫片接触面平均直径为(3527)/231 mm(3)垫 片基本 密封 宽度 (对 圆环垫 )b N/22 mm(4) 当时 6 2 mm≤6.4 mm，垫片有效密封宽度6bn2 mm(5)在上述情况下 ，垫片压紧力作用中心 圆直径D， 等于垫片接触的平均直径为 31 mil。

由式(4)可以计算螺栓在预紧状态下所需 的最小螺栓载荷(即螺栓预紧力)为：W F 3.14DGby17 443.33 N其 中 Y由 GB150.3.201 1表 7-2查得为 89.6。

本例 中产 品使用 在 内压力 P 为 10 MPa的环境下，由式(6)可以计算 出在操作状态下所需 的最小螺栓载荷为：0.785DZcp 6.28DGbmp ：26 038.45 N其中 m 由 GB150.3-201 1表 7-2查得为 4.75。

由式(7)可以计算 出在保证垫片不发生塑性变形下的螺栓最大预紧力 为 ：：3.14DG6·(4y)：4F 69 773.32 N根据以上计算，得出F。， ，Wp， 的值，在本例中， 大于 ，密封条 件是取满 足操作密 封条件 下的作为最小螺栓载荷；其次预紧力的选择主要考虑的是密封垫片最大所能承受的压紧力和螺栓的最大许用预紧力 ，并在两者之 中认小的那个 。通过比较 ，本例中

4 结论实践表明，-个技术熟练的操作人员凭感觉鹏螺栓，其预紧力的误差可高达±40%。预紧力过小，导致连接松动失效或不密封而泄露 ，预紧力过大导致安装或偶然过 载时螺栓 过渡屈服或密封垫 圈损坏 而泄漏，产生使用中的安全隐患，所以有必要将这-理论引入到测温仪表螺纹连接的安装中。本文通过较为全面的分析 ，从多个方面加 以考虑 ，得到-种比较实用的选择鹏力矩的方法 ，不但可 以用于螺纹连接 的安装方式 中，同样的对法兰连接 的安装方式也具有-定 的参考价值，在仪表的安装中具有积极的指导意义。