压力容器法兰连接螺栓预紧力

压力容器法兰连接的螺栓预紧是保证法兰连接点不发生泄漏的重要环节之一。如果预紧力不足，当容器承受较高压力时，会产生泄漏。如果预紧力过大，超过螺栓的允许强度，会使螺栓产生塑性变形，这样就破坏了螺栓的安全度，压力容器投入运行后是非常危险的。有的压力容器由于螺栓预紧力过大和各个螺栓受力不均匀，使设备法兰处于不均匀的屈服状态下工作，也会破坏法兰的安全度，使法兰使用寿命降低。那么，要在法兰密封前施加给螺栓多大的力才能保证在压紧垫片的同时在操作状态下又不发生泄漏呢？

法兰螺栓连接合格的判定标准

法兰螺栓连接合格的判定标准，一般从以下两方面考虑：1）密封性：做到“不漏即好"，即在水压试验时，介质不发生泄漏。2）安全性：做到螺栓危险截面上的应力对碳素钢不超过屈服极限的60%~70%，对合金钢不超过屈服极限的50%~60%；密封垫片受到的比压力大于最小密封比压y，且一般不超过4y。

螺栓预紧力的计算方法

计算方法一：在我国现行标准GB/T150-2011《压力容器》中并没有提及螺栓预紧力的计算方法，有人采用GB/T150中的螺栓设计载荷W计算预紧时的拧紧力矩：T=KWd（K的取值可参考《机械设计手册》相关章节）

GB/T150采用的是Tayor-Water作为螺栓法兰的设计方法，仅将法兰视作一个独立的承压元件，只考虑其强度失效，而未考虑另一个更贴近实际的法兰失效模式——刚度（变形）引起的密封（泄漏）失效。

Taylor-Waters法是一种强度计算方法，可用于确定螺栓面积和法兰环厚度的强度计算。但Taylor-Waters法不能反映法兰接头的密封要求，大量实验与现场安装表明，按Taylor-Waters法所得的预紧力不能保证法兰接头，尤其是气体介质的密封要求。

由于耐压试验压力大于设计压力，考虑到法兰转角、垫片松弛、螺栓伸长等因素，因此，GB/T150中的法兰计算仅是用来确定需要的最小螺栓截面积之用，实际螺栓预紧力必须大于“螺栓设计载荷"，同样是采用Taylor-Waters法的进行法兰设计方的ASME中也在ASME B&PV Ⅲ附录Ⅻ 1100中规定实际螺栓预紧力提高至设计值的1.5倍以上是必要的。

计算方法二：周体伟考虑内压作用和垫片在升压过程中松弛的综合结果，提出了一种法兰螺栓预紧力的计算方法。

操作时法兰接头的连接螺栓受力有如下三部分组成：1）容器或管道中流体压力P；2径向外力Pr；3）弯矩M。可以以上简化折算为压力，称为相当压力Pe：实际上采用将P适当增大的方法求得Pe，一般Pe≤1.5P。

假设预紧力为f，亦即预紧时的螺栓载荷f。此时f仅是压紧垫片而引起的。当操作时，随着操作压力的上升，螺栓载荷由f开始变化，直到压力引起的螺栓载荷增加值达到F为止。在此过程中，螺栓一方面随载荷的增长而变形伸长，f值也增大；另一方面，螺栓伸长又减小了对垫片的压缩，使螺栓载荷值f减小。

由此，只要算出由内压Pe作用引起的垫片松弛所减少的压紧力ΔF，就可以用它和Fp（操作状态下需要的最小垫片压紧力）求得预紧力f。f=Fp+ΔF其中，Fp=6.28DGbmPe。ΔF可由垫片回弹变形与螺栓伸长的变形协调公式得出

螺栓预紧力f：

计算方法三：

查表法，一般专业公司会根据经验制定螺栓预紧力数据表格，操作时直接查表得出。下表为某专业公司操作参数对应的螺栓预紧力矩。

计算方法四：欧洲标准EN13445.4“非直接火压力容器"中附录G提出了法兰连接的另一种设计方法。该附录直接引用EN1591“法兰及其接头带垫片的圆形法兰连接设计规则"。

该方法包括的法兰结构形式有整体法兰、松式法兰、法兰连接的凸形封头和法兰平盖。考虑法兰在各种载荷的作用下会发生转动变形，而法兰密封面与垫片的有效接触宽度又直接影响到密封所需要的螺栓力。因此，在整个计算过程中将需要进行一些迭代过程。EN13445.4附录G所列的法兰设计方法是一种基于密封性紧密度的设计方法，该方法确定了满足密封要求所需要的螺栓力和装配时所需要的螺栓预紧力矩，这就保证了对垫片、螺栓、法兰等零件进行强度校核时采用载荷与实际工况下的载荷是较为吻合的。同时，所有对连接接头所作的强度校核也是为了达到密封的目的。