一种工业汽轮机高温蒸汽法兰拧紧力矩的计算方法研究

冯照和 陈可轩 张军辉 王红梅 刘白兰

摘要：法兰连接在工业设备中运用极为广泛，为了避免设备中介质泄漏，需要给法兰提供合适的预紧力，预紧力是通过拧紧力矩来实现的。在高温高压工况下，合适的拧紧力矩显得更加重要。鉴于此，通过对某汽轮压缩机组中汽轮机新蒸汽入口法兰进行分析，计算出所需的拧紧力矩，然后建立数学模型，通过有限元仿真分析，验证方法的可行性。

关键词：汽轮压缩机;拧紧力矩;强度;仿真

0    引言

法兰螺栓连接是石油化工行业广泛使用的连接形式之一，其因连接可靠性强，运用极广。在工程安装中，为了增加螺栓连接的可靠性，需要施加合适的预紧力，而预紧力的施加是通过紧固力矩来实现的。拧紧力矩过大，法兰密封面虽然可以贴合紧密，但是过大的拧紧力矩也可能会拉断螺栓，工程上一般按照垫片的比压力来判断，认为垫片所受的压力大于比压力并小于4倍比压力时，密封可靠[1]。若拧紧力矩过小，法兰间密封不可靠，则会发生泄漏。所以，合适的拧紧力矩显得十分重要。

1    拧紧力矩的计算

本文以某大型汽轮压缩机组中新蒸汽法兰连接为例，通过分析计算，给出拧紧力矩。然后建立数学模型，通过有限元仿真验证在此拧紧力矩的作用下，法兰连接安全可靠。

汽轮机新蒸汽参数为：设计压力P0=11.1 MPa，设计温度515 ℃。法兰公称直径DN=200 mm。螺栓公称直径d=52 mm，螺距P=5 mm，材料为21CrMoV，数量N=12。法兰与垫片的连接形式图1所示。法兰接触面直径D=279.4 mm，垫片宽度W=28.58 mm，常温下螺栓的许用应力[σ]b=319 MPa，在设计温度下螺栓的许用应力[σ]bt=95 MPa。垫片为椭圆垫，材料为不锈钢。

根据标准《压力容器 第3部分：设计》（GB 150.3—2011）[2]查得不銹钢椭圆垫片比压力y=179.3 MPa，垫片系数m=6.5，椭圆垫片基本密封宽度为b=W/8。法兰连接工况分为预紧态和设计态，我们对其分别进行计算。

1.1    预紧态

式中，K为扭矩系数。

计算得：T=3 685 Nm。

2    有限元计算

为得知此载荷下螺栓及垫片的受力情况，进行有限元仿真计算[4]。为了减少计算机运算量，将模型简化成1/12进行运算。简化后的三维装配模型如图2所示。

在仿真过程中首先要根据设计温度计算出模型的温度场，然后将结果耦合到静力场中，计算螺栓和垫片的强度。图3为模型的网格划分以及温度场的分布。

将设计压力以及上述计算得到的预紧力加载到螺柱上面，螺栓以及垫片的计算结果如图4所示。

可以看到在此载荷下，除螺母和法兰接触部分应力集中以外，螺栓整体受力在200 MPa以内，小于此温度下螺栓屈服极限275 MPa，螺栓安全。同时，垫片的受力（除了部分应力集中点之外）基本在400 MPa以内，按照工程经验，密封可靠。

3    结语

法兰拧紧力矩在工程安装中经常需要提供。相对于按照螺栓屈服强度计算方法得到的数值来说，基于上述理论得到的数值更加安全。

根据垫片的不同，相应更改计算参数，本文所述方法还能够推广应用到其他形式密封面的相关计算中。

[参考文献]

[1] 宋新军，甄继夏.浅谈金属缠绕垫片[J].山东工业技术，2019（18）：33.

[2] 压力容器 第3部分：设计：GB 150.3—2011[S].

[3] 普通螺纹 基本尺寸：GB/T 196—2003[S].

[4] 许京荆.ANSYS Workbench工程实例详解[M].北京：人民邮电出版社，2015.

收稿日期：2020-01-10

作者简介：冯照和（1987—），男，安徽池州人，工程师，研究方向：汽轮机设计。