压力管道法兰配套螺栓垫片的选用

安广辉

（北京沃利帕森工程项目管理有限公司，北京 100021）

螺栓和垫片在工业管道法兰连接中大量应用，在管道材料设计中，如何正确地选择螺栓和垫片对于管道的安全有重要的影响。

法兰常用螺栓分单头螺栓（又称六角头螺栓）和双头螺栓（又称螺柱）[1]。美标螺柱一般为全螺纹螺柱，而我国一般使用双头螺栓。由于双头螺栓的无螺纹部分直径大于螺纹根径，因此属于刚性螺栓，其抗疲劳及防松弛性能要低于全螺纹螺柱[2]。

常用法兰垫片有非金属垫片、半金属垫片和金属垫。非金属垫片亦称软垫片，一般以石棉为主体配以橡胶等材料制作而成，通常只是在操作温度较低，操作压力不高的管道上使用。半金属垫片由金属材料和非金属材料共同组合而成，常用的有缠绕式垫片和金属包垫片，它比非金属垫片所承受的温度压力范围较广。金属垫全部由金属制作，有波形、齿形、椭圆形、八角形和透镜垫等，这种垫片一般用在半金属垫片所不能承受的高温高压管道法兰上[1]。

管道法兰设计中，螺栓和垫片的选择都有相应的标准。以下将通过介绍国内及国际主要相关标准，说明螺栓和垫片的选用原则。

希望通过本文的介绍，对需要选择法兰螺栓和垫片的管道工程师有一定的指导作用。

1 螺栓和垫片相关标准介绍

中国、欧盟及美国制定了很多关于管道法兰螺栓和垫片选用标准及材料产品标准等。以下将一一介绍各国主要使用的螺栓垫片选用相关标准。

1.1 我国螺栓垫片选用相关标准

我国有很多关于螺栓垫片选用的标准，有国家标准、化工行业标准、石化行业标准等。以下对于我国工业项目中常用的螺栓垫片选用标准进行一一介绍。

1.1.1 工业管道压力管道规范GB/T 20801—2006《压力管道规范 工业管道 第3 部分：设计和计算》

螺栓的选用应考虑法兰形式、垫片类型、操作温度和操作压力等因素。螺栓强度分为低强度、中强度和高强度。不同强度的螺栓要对应不同的垫片和法 兰。

垫片的选用应考虑流体性质、使用温度、压力以及法兰密封面等因素。垫片的密封荷载应与法兰的压力等级、密封面型式、表面粗糙度和紧固件相匹 配[3]。

以下介绍本标准在使用过程中会遇到的一些问题及注意事项。

表1 是从标准中摘录出的紧固件强度分类，从表1 看到，螺栓材料标准不是美标就是欧标，我国压力容器、压力管道行业，目前还处于无专门的紧固件材料标准的状态[2]。因此我国应该加紧制定压力容器、压力管道行业的紧固件材料标准。

从表1 还看到，对于中强度紧固件，没有碳钢材质的，如果在遇到碳钢管道需要中强度紧固件的情况，我们就无从选择，只能选择高强度紧固件代替。但是在美标的法兰标准ASME B16.5《PIPE FLANGES AND FLANGED FITTINGS》中，对于中强度紧固件，是有A193 B5 和A193 B7M 等碳钢紧固件的。因此我们可以先引用美标的中强度紧固件材料，编入我们的紧固件强度分类表中。在目前的GB/T 20801—2016 征求意见稿中，笔者发现还没有编入中强度碳钢紧固件，因此在正式出版之前，可以考虑编入。

从标准条文“5.1.9.3 石棉橡胶垫片应满足以下要求：”可以看出，我国还是可以使用石棉垫片的。根据国际禁止石棉秘书处的数据，从欧盟到波斯湾，从日本等工业国到非洲的发展中经济体，有66 个国家禁止使用石棉。仍然允许使用石棉的国家是中国，俄罗斯，印度和美国等。因此当我们要给这66 个国家设计并制造撬块时，一律不得使用含石棉垫片，否则将会触犯这些国家的法律。

1.1.2 化工行业螺栓垫片选用标准HG/T 20614—2009《钢制管法兰、垫片、紧固件选配规定（PN 系列）》

本标准规定了钢制管法兰、垫片和紧固件（PN系列）配合使用时选用的一般规则[4]。

以下介绍本标准在使用过程中会遇到的一些问题及注意事项。

化工行业的法兰标准HG/T 20592—2009《钢制管法兰（PN 系列）》的压力等级只到PN 160，所以化工行业垫片标准也只到PN 160。国标的法兰标准GB/T 9115—2010《对焊钢制管法兰》的压力等级有欧洲体系和美洲体系两个序列，但是国标的垫片标准GB/T 9128—2003《钢制管法兰用金属环垫 尺寸》只有美洲体系序列。所以GB/T 9128—2003 只适用于2010 版国标法兰的美洲体系的环连接面法兰。对于2010 版国标法兰的欧洲体系的环连接面法兰，国标没有标准可循，希望在GB/T 9128—2003 修订时，能把PN 系列的环连接面法兰所配垫片编入。

本标准规定六角头螺栓和双头螺柱只能用于非有毒、非可燃介质以及非剧烈循环场合。这个要求在GB/T 20801 中并没有规定。这是因为化工行业用到的有毒和可燃介质众多，所以需要的安全性更高，才提出了这样的要求。而国标适用于没有指定本行业相关标准的某些行业，例如市政行业、环保行业和环境卫生行业等。

1.1.3 石化行业管道器材选用标准SH/T 3059—2012《石油化工管道设计器材选用规范》

本规范规定了石油化工管道材料的选用、管道组成件的选用要求和计算方法[5]。

以下介绍本标准在垫片和螺栓选择过程中遇到的一些问题及注意事项。

由于石化行业法兰标准SH/T 3406—2013《石油化工钢制管法兰》只有美洲体系，所以本标准的规定也只是针对石化行业美洲体系垫片和螺栓的选用。

本标准中也引用了一些化工行业的垫片标准，这说明了石化行业的标准也不是特别健全。

1.2 美国垫片螺栓选用相关标准

美国使用的主要法兰标准有ASME B16.5—2017[6]、AWWA C207—2018[7]和ASME B16.1[8]，所以以下介绍的垫片螺栓的选用标准也是围绕这三个法兰标准进行。

1.2.1 美国法兰标准

本标准是广泛使用的工业管道法兰的美国标准，在我国的石化行业中使用也非常广泛。

以下介绍本标准在垫片螺栓选择过程中提到的一些注意事项。

本标准提到螺栓分为低强度螺栓、中强度螺栓和高强度螺栓，铁基合金的螺栓标准见表2。

本标准提到低强度螺栓只能用于CLASS 150 和CLASS 300。碳钢低强度螺栓只能用于-29 ～200℃。对于CLASS 150 的钢法兰和CLASS 125 的铸铁法兰法兰连接时，如果是RF 面连接，必须要用低强度螺栓；如果是FF 面连接，低强度螺栓、中强度螺栓和高强度螺栓都可以用。对于CLASS 300 的钢法兰和CLASS 250 的铸铁法兰法兰连接时，如果是RF 面连接，必须要用低强度螺栓；如果是FF 面连接，低强度螺栓、中强度螺栓和高强度螺栓都可以用。

表2 螺栓标准列表：适用于ASTM [6]Table 2 List Of Bolting Specifications： Applicable ASTM Specifications

本标准提到CLASS 150 的法兰如果使用缠绕垫，配套法兰建议用带颈对焊法兰或者松套法兰。

比作秀更可怕的是作假。前段时间，河南平顶山有人向媒体反映，因为空气质量恶化，当地政府部门强制市区范围内的十几家加油站限制加油时间，想加油只能在晚上7点以后，早上8点之前，同时这些加油站要在年底前完成搬迁。

1.2.2 美国水行业法兰标准AWWA C207

本标准是美国水行业用的法兰标准，适用于水行业的低压力常温的工况，在我国石化行业中也常用在循环冷却水和生产给排水管道中。

以下介绍本标准在使用过程中会遇到的一些问题及注意事项。

本标准中法兰的压力等级分为CLASS B， CLASS D， CLASS E， CLASS F。 其 中CLASS B， CLASS D， CLASS E 的法兰是可以和ASME B16.5和ASME B16.47 系列A 的CLASS 150 法兰连接的，法兰螺栓孔中心圆直径完全一致，法兰盘大小稍有几毫米的差别，不影响连接。从上看出，CLASS B， CLASS D， CLASS E 的垫片和ASME B16.5 和ASME B16.47 系列A 的CLASS150 法兰所配的垫片可以通用。

本标准规定所有的螺栓螺母材料用A193 B7 和A194 2H。这个规定和ASME B16.5 的规定有些矛盾，按照ASME B16.5，低压法兰如果采用RF 面，不应该用高强螺栓，但是本标准并没有这个限制，可能考虑水行业的工况没有太大的危险性。

本标准中规定法兰的连接面只有FF 面，但是在本标准垫片列表中又出现了RF 面垫片，不知这个又作何解释。

1.2.3 美国铸铁法兰标准ASME B16.1

本标准是美国的灰铸铁法兰标准，适用于市政给排水行业。这个标准在我国应用较少。

以下介绍本标准在使用过程中会遇到的一些问题及注意事项。

本标准中法兰的压力等级分为CLASS 25，CLASS 125 和CLASS 250。 其 中CLASS 25 和CLASS 125 的法兰是可以和ASME B16.5 和ASME B16.47 系列A 的CLASS 150 法兰连接的，法兰螺栓孔中心圆直径除10"差6 mm 外，其他尺寸基本一致，不影响连接，法兰盘大小完全一致。CLASS 250 的法兰是可以和ASME B16.5 的CLASS 300 法兰连接的，法兰螺栓孔中心圆直径基本一致，不影响连接，法兰盘大小完全一致，但是由于CLASS 250 的法兰可以做成RF 面，它的RF 面的外径和ASME B16.5的CLASS 300 法兰的RF 面外径并不相同，CLASS 250 法兰的RF 面外径较大，所以当CLASS 250 的法兰和CLASS 300 法兰连接在选择RF 面垫片时，按照ASME B16.5 的的CLASS 300 法兰来选择较合适。

本标准规定螺栓应选用A307 GRADE B 材料，螺栓和螺母可以用方头和六角头的，这样规定是因为灰铸铁法兰压力等级都不高，所以用低强螺栓并可以采用方头的。

1.3 欧盟垫片螺栓选用相关标准

欧盟的法兰标准现在已经统一为EN 1092—2018《Flanges and Their Joints-circular Flanges for Pipes Valves， Fittings and Accessories， PN Designated》和EN 1759—2004《Flanges and Their Joints-circular Flanges for Pipes， Valves， Fittings and Accessories， Class Designated》，所以以下介绍的垫片螺栓的选用标准也是围绕这些法兰标准进行。

1.3.1 欧盟螺栓选择标准EN 1515-1—2000

EN 1515-1—2000[9]适 用 于EN 1092—2018 和EN 1759 —2004 的法兰所用的螺栓选择。

以下介绍本标准在螺栓选择过程中提到的一些注意事项。

本标准列出了各种不同压力、温度情况下适用螺栓的材料牌号和标准号，但是选择的时候也需要考虑所输送的介质。

本标准附录A 规定了全螺纹螺柱的长度序列要求及粗牙细牙螺栓的应用场合。规定如下：对于长度在80 mm 及以下的螺栓，长度增加以5 mm 为单位；对于长度200 mm 及以下的螺栓，长度增加以10 mm为单位；对于长度200 mm 以上的螺栓，长度增加以20 mm 为单位。M39 及以上的细牙螺栓用于化工石化等行业，M64 及以下的粗牙螺栓用于水行业。

本标准附录B 给出了欧盟螺栓材料牌号和英国、法国、德国和美国的牌号对应。有这个对应关系，我们在做国际项目时，就可以在不同标准体系之间进行材料代用。

1.3.2 欧盟螺栓选择标准EN 1515-2—2001

EN 1515-2—2001[10]规定了PN 系列的法兰材料和螺栓材料的组合关系。

本标准和国标和美标一样，也是把螺栓分为低强螺栓、中强螺栓和高强螺栓。本标准对于法兰材料和螺栓材料的这种组合在国标和美标是都没有规定的，由于我国现在还没有自己的螺栓材料标准，所以我国可以多借鉴欧盟的螺栓材料标准和螺栓材料选择标准来丰富我国的管法兰的螺栓标准。

1.3.3 欧盟非金属垫片标准EN 1514-1—1997

EN 1514-1—1997[11]是配套EN 1092 使用的非金属垫片标准，压力等级可以做到PN 63，尺寸可以做到DN 4000。本标准的非金属垫片可以做成FF 面、RF 面、凹凸面和榫槽面法兰所用的形式。

1.3.4 欧盟缠绕垫片标准EN 1514-2—2014

EN 1514-2—2014[12]是配套EN 1092 使用的缠绕垫片标准，压力等级可以做到PN 160，尺寸可以做到DN 1000。本标准的缠绕垫片可以做成FF 面、RF面法兰所用的形式。

以下介绍本标准在使用过程中会遇到的一些问题及注意事项。

由于本标准压力等级只做到PN 160，所以对于PN 250 及以上的RF 法兰所用到的缠绕垫在欧盟是什么标准，不得而知。对于PN 63 以上的凹凸面和榫槽面法兰如果用到缠绕垫，在EN 1514 中也没有找到相应标准。

2 结束语

本文介绍了中国、美国和欧盟关于法兰的垫片螺栓选择的主要相关标准，从中可以看到，管道法兰的螺栓选择，欧盟的标准做得最为完善，螺栓材料种类也最多。美国的螺栓选择规定和螺栓材料种类相比欧盟更简洁一些。中国的螺栓选择规定和螺栓材料基本都是参考美国和欧盟的相关标准。垫片和螺栓都属于压力管道元件，在我国，它们的设计和制造都需要拿到制造许可的单位来进行，因此我国的垫片螺栓相关标准的更新也需要联合垫片螺栓的制造厂一起来进行，共同来进行垫片螺栓相关设计及材料的研究，尤其是螺栓，早日开发出我们国家自己的材料标准。