法兰螺栓的高温应力松弛

��尧珍 年 �� 月 炼 油 设 计 ��乞 ��吸� 】王�� � 凡�� � �! ∀ #!� � � � � 第 �� 卷第 �� 期 机械设备 法兰螺栓的高温应力松弛 徐耀康 洛阳石油化工工程公司�河南省洛阳市 �� ��� � 在炼油厂和石油化工厂中 , 法兰是无所不在 的 。 法兰联接的安全可靠性非常重要 , 因为法兰 联接失效易产生泄漏而引起火灾和其他的危害 。 法兰联接失效有相当部分是由于法兰联接的螺栓 高温应力松弛所引起的。 � 法兰螺栓的应力松弛 金属材料在高温和应力同时作用下 , 其塑性 变形随时间增加而增加的现象称为蠕变 。 松弛是 材料蠕变的另一种表现形式 , 当总变形量不变的 条件下 , 由于蠕变的作用 , 材料弹性应力随时间增 加而减小的现象叫作松弛 。 法兰螺栓的应力松弛 是典型的松弛现象 。 法兰装配时需要预紧螺栓 , 使螺栓产生一个 初始预紧力 , 其相应的初始应力为 � 。 , 应变为 。。。 。。 由弹性应变 。 。 和蠕变应变 。。 两部分组成 , 在 使用过程中 。。保持不变 “� � “· � �一 �口 � � � � 。 � � 常数 、 ��� 式中 � 。—螺栓剩余应力 ��—螺栓弹性模量 。当螺栓预紧时 , 蠕变应变为零 。 随着操作时 间的推移 , 螺栓则发生蠕变 , 蠕变应变逐渐变大 。 由式 ��� 可知 , 弹性应变逐渐变小 , 螺栓剩余应力 也逐渐变小 , 这就是螺栓的应力松弛 。 表 � 列 出 了一些常用材料拉应力松弛试验的数据〔‘� 。 从表 � 可知 , 同一种钢材 , 相同的初始应力 , 温度越高剩余应力下降越快 , 在持续相当长时间 后剩余应力趋于一致 � 同时还可以看出 , 在松弛的 最初阶段 , 应力急剧下降 , 随后应力下降减缓 , 趋 于稳定 。 图 � 为法兰受力情况 。 当螺栓拉紧力因应力松弛变得越来越小时 , 垫片压紧力也随着变小 , 当其小于操作状态下密 封需要的最小垫片压紧力时 , 法兰联接开始泄漏 , 导致密封失效 。 夕夕夕 垫片压紧力 的总轴向力 图 � 法兰受力示意 � 螺栓剩余应力与时间的关系 �� 研究人员做了大量试验工作 , 一般认为以下 的关系式较为准确 � � 。�分 � 人�了“� � �� � � � 。 , � � 、 � 、 � , � �式甲 犷万子—蠕变迷半 �� �表 � 常用材料拉应力松弛试验数据 材料 初始应力� ��� 剩余应力 � ��� �《�� � � 仪�〕� �� �兀幻� �—时间 , � �� 、 �—与材料 、温度 、应力范围等有关的常数�见表 � �。 收稿日期 � �性冷, 一 �� 一 �� 。 作者简介 �高级工程师 , ��冶�年毕业于北京农机学院 , ��� � 年 起在洛阳石油化工工程公司从事炼油设备设计工作 , 现任工 程设计副总工程师。 ���� �� ����缺���� �������� ������ ���� !�∀#�� ��� ���� !���印����� �� �� �� �� 低碳钢 � �一� , � 钢 � 一�� 一��钢 ��� � �钢 温度 � ℃ � � � � �� � �� � �� � �� ��� 第 �� 期 徐耀康 � 法兰螺栓的高温应力松弛 表 � 常见材料的 � 、 � 值 绷绷����� 材 料 � � �� �钢 � � �� � � 钢 ��� �� 钢 �� 一� 钢 温度 � ℃ 人 � ��� 一 ” · � 一 � � � �� � �� 一 �� � � �� 只 �� 一 �� � � �� � �� 一 �� � � �� � �� 一 �� 将式 �� �代人式�� 积分得 ‘� �下共而 ·告 � � 一 �。 � � 。�一 ‘】 �� �欠� 一 � � 八 乙 � ,� 式��� 表达了剩余应力与时间的关系 , 可用来 估算达到某剩余应力所需的时间 。 � 螺栓松弛危害的预防 在实际使用中螺栓松弛非常复杂 , 影响因素 也很多 , 一般可 以从选材 、设计 、操作等方面着手 考虑 。 �� 根据不同温度选择相应的抗蠕变性能优 良的材料 。 用于高温螺栓的常用合金元素有 � , �� � � � � � , �� � � �� � , � �如 �� �� , �� ���� � , �� ��� ��� � �等 。 螺栓的质量直接影响抗松弛性 能 , 其化学成分 、力学性能 、热处理状态等应符合 要求 。 还应进行无损检测 , 不得有裂纹等缺陷存 在 。 对螺母也有相同要求 。 �� 将操作状态下密封需要的最小垫 片压紧 力和相应的螺栓应力代人式�� � , 估算出螺栓松弛 后法兰密封失效开始的时间 ,然后按时紧固螺栓 , 这称为 “热紧” 。 但事实上对带压操作的高温螺 栓 ,热紧是不安全的 , 有时甚至会引起灾害事故 , 热紧只能作为特殊情况不得已时采取的应急措 施 。 在设计时应考虑在整个操作周期内 , 螺栓松 弛后的剩余拉力仍能保持法兰的密封 。 可将操作 周期的总时数代人式�� � , 估算出保持密封所需的 螺栓初始应力 。 如果按标准设计的螺栓应力达不 到要求的初始应力水平 ,应该增加螺栓总截面积 , 而不是增加单个螺栓的应力值 。 虽然前述两者均 能提高螺栓初始预紧力 , 但从表 � 可知 ,后者经较 长时间的操作后 已丧失了大部分的应力增加值 。 若手头缺少有关数据 , 可大致估计 。 如果一个装 置的操作周期按一年计 , 且螺栓工作温度已在材 料蠕变区域内��� ����� 在 ��� ℃以上 , �� �� �� � � 在 ��� ℃ 以上 � , 则螺栓总截面 积余量不宜小于 �� � 。 如果螺栓还伴有应力疲劳和热疲劳工况 , 还应另行考虑 。 �� �螺栓与法兰 、螺母 、垫圈和垫片共同组成 一个完整的密封结构 , 当螺栓发生应力松弛时 , 法 兰等组件的弹性回复在一定程度上可起缓冲作 用 。 螺母应选加厚型 , 厚度不小于螺栓公称直径 。 设置厚垫圈不仅用来保护法兰表面 , 对螺栓松弛 也有补偿作用 。 密封垫片宜选用比压力较大的类 型 ,如八角垫 、金属平垫等 �或选用具有 良好高温 弹性的垫片 , 如缠绕垫片和波齿复合垫片等 。 �� 装置开工升温过程中 , 因热膨胀原因 , 设 备 、管道 、结构件等均有变形和位移而引起螺栓预 紧力变化 。 还应该注意到有关松弛的各项试验研 究和理论分析 , 均假定在恒温工况下 �即初始加载 是在高温下进行的 �。 实际上法兰螺栓在常温下 紧固 , 装置开工后温度的提高使螺栓和法兰的弹 性模量变小 , 致使螺栓初始预紧力未能达到设计 值 。 为了保证螺栓在开始工作时达到设计的初始 预紧力 , 应在开工前对装置整个系统用高温蒸汽 吹扫数十个小时 , 然后将所有螺栓再紧固一遍 。 浮头换热器的浮头法兰和浮头盖 的联接 , 应在装 配外浮头盖前用蒸汽吹扫换热器管程 , 充分加热 后再对螺栓进行紧固。 对于重要法兰螺栓的紧固 宜使用扭力扳手 。 � 结束语 高温螺栓的应力松弛是法兰联接密封失效的 主要原因 , 采取的主要措施有 � � 合理选材 , 控制 质量 � � 设计的螺栓总截面积留有适当余量 � � 正 确选用螺母 、垫圈 、密封垫 片 � �装置开工前进行 高温蒸汽吹扫后对螺栓再紧固。 实践证明 , 这些措施是有效的 , 可 以对应力松 弛造成的危害进行预 防 , 从而为装置的安全 、稳 定 、长周期操作创造有利条件 。 参考文献 平修二等著 , 郭廷玮等译 � 金属材料的高温强度 � 日 � � 北京 � 科 学出版社 , ���� � ��� 一 ��� 张康达 , 洪起超 � 压力容器手册 �北京 �劳动人事出版社 , ��明〕� ��� 一 ���