ASME PCC-1—2019《压力边界螺栓法兰连接安装指南》的解析*

潘凌峰 郑小涛

(武汉工程大学机电工程学院,湖北省绿色化工装备工程技术研究中心 湖北武汉 430205)

随着我国工业化程度的不断普及，螺栓法兰连接被广泛应用于石油化工领域、核电领域、航空航天领域[1-2]。由于螺栓法兰连接数量庞大且服役环境复杂而多变，法兰连接系统的泄漏事故常有发生。据统计，每年由法兰接头泄漏所带来的直接经济损失有数亿元之多[3-5]。在众多螺栓法兰连接失效原因中，缺少符合工程实际的行之有效的监管规范一直是最重要原因之一[6]。ASME最早于2000年就颁布了《压力边界螺栓法兰连接安装指南》[7](以下简称指南)，并基于工程实践经验，于2010年、2013年和2019年分别对指南进行了修订与更新。本文作者在文献[1-2]的基础上，对2019年最新版指南进行解读，介绍其修订内容并进行了探讨，对于更好地规范我国压力边界内螺栓法兰的连接工作有一定参考价值。

1 关于ASME PCC-1—2019的简介

美国机械工程师学会(ASME)于1993年成立了一个负责起草在役设备监察和维护工程标准的特别工作组(Ad Hoc Task Group on Post Construction)，以解决压力设备投入使用之后缺少相关的监察与管理的问题。ASME的压力技术规范和标准部于1995年成立建设后委员会(Post Construction Committee,PCC)为在役的压力设备和压力管道制定相关的监察和管理的规范与标准。PCC于2000年颁布了第一版指南，之后又于2010年、2013年、2019年分别对指南进行了修订与更新。值得注意的是，2010版指南于2010年1月14日被美国国家标准协会(ANSI)批准作为国家标准[8]，2013版指南于2013年8月12日被ANSI批准作为国家标准[9]，2019版指南于2019年1月17日被ANSI批准作为国家标准[10]。相较于2013版，新版指南有许多的更新，其中最主要的变化在于两点：一是在附录O中引入目标扭矩指数相关的参考扭矩表(表1M和1)；二是新增了附录《动力设备使用的注意事项》[10]，提出了动力紧固设备的相关要求。

2019版指南包括16个正文章节和17个附录(包括一个已经删除的附录G)。其中，正文部分的16个章节相较于2013版指南没有变化，正文部分针对应用螺栓法兰接头的整个过程中所涉及到的检查、校验、安装、拆卸工作提出具体的操作要求。例如操作工人的资质评定，法兰接头的找正，垫片的安装，螺栓的安装与紧固等过程都涵盖在正文内容之中。正文内容切实保障了螺栓法兰连接的可靠性，也保障了相关操作人员的人身安全问题。

附录部分则是对正文内容的进一步完善与补充。正文所涉及的各项具体技术指标都在16个附录之中得到了充分说明。各个附录主要内容为：附录A是螺栓连接装配人员的培训和资格认证；附录B介绍了指南中的各个术语；附录C和附录D则给出了各种垫片接触面的推荐加工粗糙度以及允许的缺陷深度；附录E给出了关于法兰接头对中的具体操作方案；附录F是传统的螺栓紧固序列的代替方案；附录G是对螺栓安装服务承包商的介绍，在2019版的指南之中，这部分内容已经删除；附录H给出了螺栓根部和拉伸应力区域的信息；附录I介绍螺栓拧紧期间的弹性交互作用；附录J和附录K都是关于目标扭矩的计算方法；附录L提供了ASME B16.5法兰螺栓的信息；附录M给出了全硬化垫圈的使用指南和采购规范；附录N是关于螺栓重复使用的相关信息；附录O提供螺栓安装时预紧力的计算方法；附录P提供法兰连接泄漏故障的排除指南；附录Q给出了动力设备使用的注意事项。

与2013版指南相比，2019版指南在正文的文字部分进行了多处修订与更新。与正文部分相比，新版指南的变化主要体现在附录部分。

2 新版指南的修订目的

2.1 规范并完善指南体系

新版指南的正文部分做了较多的关于文字编辑方面的修订，其主要原因是为了避免读者产生理解偏差[11-12]。例如正文第一部分的第一段关于指南适用范围的定义。类似这样的修订占据了2019版指南正文部分更新的很大一部分。除此之外，新版指南还增加了许多脚注来帮助理解，也增加了一些专业术语的定义。例如增加了正文8.2节的脚注6，以及附录A中增加了对高级螺栓装配工的定义。除以上这2种更新之外，还有一部分更新属于对旧版指南的勘误，这部分的错误主要集中在表达不规范以及印刷错误。例如附录O中的公式(O-3)、(O-8)等。

2.2 收录最新的工程实践技术

新版指南的主要变化就是删除了附录G《螺栓服务中承包商的使用》的内容，以及增加了一个最新的附录Q《动力设备使用的注意事项》。

随着螺栓法兰连接的广泛应用，传统手动紧固方式逐渐显现出越来越多的问题。为了解决这一系列问题，螺栓紧固的动力设备应运而生[13]。新版指南对动力紧固设备从定义、优点、缺点、使用注意事项和安装注意事项等方面进行了系统说明，给读者一个完备的参考与建议。

3 新版指南修订内容的讨论

3.1 附录O中的参考扭矩表(表1M和1)

2019版指南的附录O《装配螺栓时预紧力的确定》中，给出了螺栓装配时所需预紧力以及每个螺栓平均扭矩的计算方法[14]。

对于一个典型的螺栓法兰装置，装配所需的预紧力可通过公式(1)计算[15]。

(1)

式中：Sbsel为密封所需螺栓力，MPa(psi);SgT为垫片密封所需螺栓力，MPa(psi);Ag为垫片承载面积，mm2(in.2);nb为螺栓的数量，个；Ab为螺栓承载面积，mm2(in.2)。

式(1)可以计算密封所需的螺栓平均预紧力，且通过式(2)与式(3)可将其转换为装配时所需的扭矩值。其中，式(2)采用公制单位，式(3)采用美国常用单位[16]。

Tb=SbselKAbφb/1 000

(2)

Tb=SbselKAbφb/12

(3)

式中：Tb为装配螺栓所需的扭矩，N·m(ft-lb);Sbsel为密封所需螺栓力，MPa(psi);K为螺母系数；Ab为螺栓承载面积，mm2(in.2)；φb为螺栓直径，mm(in.)。

为了使工程运用更加便捷，附录O中新增了表O-3.2-1M和表O-3.2-1。这两张表是基于式(2)与式(3)计算形成，表中列出了单位螺栓力下，螺母系数分别为0.15、0.18、0.20时的扭矩值。当获取了目标扭矩指数之后，再将其乘以螺栓密封所需要的螺栓力，可以直接得到装配时所需的扭矩值，如式(4)所示[17]。

(4)

其中，表O-3.2-1M如表1所示，表O-3.2-1如表2所示。表O-3.2-1M根据公制螺纹系列而确立，表O-3.2-1则是根据英制螺纹系列而确立。在运用到不同的螺纹系列时，需要根据要求正确地选取相对应的表格。为简洁描述，文中仅摘录表O-3.2-1M与表O-3.2-1的部分内容，详情查阅2019版指南。

表1 基于1 MPa(螺栓有效承载面积)单位预紧力计算低合金钢螺栓目标扭矩值的参考值(目标扭矩指数/公制螺纹系列)(部分)

表2 基于1 ksi(6.89 MPa)(螺栓有效承载面积)单位预紧力计算低合金钢螺栓目标扭矩值的参考值(目标扭矩指数/英制螺纹系列)(部分)

以表1为例，表格中的目标扭矩指数由式(2)计算得到。例如，一个M20×2.5的公制螺栓，螺母系数为0.2。查取螺栓计算手册以及指南的附录H，得到螺栓的相关信息如表3所示。

表3 M20×2.5公制螺栓尺寸参数

则其目标扭矩指数为

Ti=SbselKAbφb/1 000=1×0.2×217×20/1 000=0.87(N·m/MPa)

若与该螺栓装配的法兰为DN80 300级法兰,在常温工况下进行计算，螺栓数量为8个，取设计压力为5 MPa,垫片选自HG/T 20631—2009《钢制管法兰用缠绕式垫片》[18],有效承载面积为2 619 mm2，由API 660[19]可知垫片密封目标应力为200 MPa。

则其装配时所需的扭矩为

圆整后最终扭矩取为265 N·m。

由上可知这2个目标扭矩指数表的出现，极大程度地简化了扭矩值的计算过程。

3.2 附录Q《动力设备使用的注意事项》

附录Q《动力设备使用的注意事项》是在指南中首次出现，这说明动力紧固设备起着越来越重要的作用。例如，大型号螺栓在安装时往往需要使用锤击法，但螺栓受冲击力容易发生“咬牙”和“剃牙”。为了解决这一系列问题，紧固螺栓的动力设备应运而生。随着动力设备在螺栓紧固环节中的使用，迫切需要对其进行更深的理解与掌握，这样才能保证正常使用这些工具来达到紧固目的。附录Q就是为使用动力设备组装压力边界螺栓法兰时，对可能需要考虑的其他注意事项进行说明。

动力设备可以包括液压、电动或气动螺栓拧紧工具。附录Q中一共介绍了2类、共3种动力设备，分别是气动和电动扭矩扳手、液压扭矩扳手、液压拉伸器[20]。其中，气动和电动扭矩扳手分别由空气、电动马达组成，通过减速齿轮系统连接到装配套筒上，其优点是使用起来迅速便捷，相较于液压扭矩扳手往往更加方便，缺点是这二者的使用精度很难得到保证，会受到诸如气体参数、电池电量等诸多因素的影响。在使用时，气动与电动扭矩扳手的使用方法与手动扳手相同。

液压扭矩扳手是使用小液压缸，通过套筒或连杆向工具施加扭矩[21]。液压扭矩扳手有2种常见的类型：方形驱动型和低矮型。其中，方形驱动型液压扭矩扳手可以通过类似于手动扭矩扳手的方法，替换标准的冲击套筒来覆盖更大螺栓直径范围。低矮型液压扭矩扳手所需的螺母间隙较小，并且由于螺母的固有对齐方式、扭矩的施加点和扭矩的反作用力等因素，低矮型液压扭矩扳手在大多数情况下更易于使用。此外，与方形驱动型液压扭矩扳手所使用的套筒相比，低矮型液压扭矩扳手可在有更多螺柱的情况下使用。液压扭矩扳手的使用相对而言也较为容易，使用方法类似于手动扭矩扳手，并且能够应用于各种扭矩水平。方形驱动型液压扭矩扳手可以产生更高扭矩水平，其对于大直径螺栓的拆卸更有效。但是，液压扭矩扳手最大的缺点就是所需的安装时间较长以及螺栓载荷变化较大。

液压拉伸器是采用小型中空液压缸，通过螺纹拧到螺栓的末端，通过缸中的液压将拉伸力作用在螺栓上[22]。螺栓获得所需的螺栓载荷后，就将螺母旋转到与法兰接触的状态，并释放拉伸器压力，使螺栓载荷转移到螺母上。在载荷传递到螺母上时，所施加的拉伸载荷部分损失，这称为螺母载荷损失系数(NLLF)。如果使用的拉伸器覆盖率小于100%，即拉伸器个数小于待固紧螺栓个数，则在拧紧第二组及以后的任何一组螺栓时，由与其他部件的变形作用，例如法兰变形和垫圈压缩等，这会导致先前拧紧的螺栓载荷进一步降低，这种载荷损失称为螺栓载荷损失系数(BLLF)。NLLF与BLLF最早由Warren Brown于2014年在《Hydraulic Tensioner Assembly:Load Loss Factors and Target Stress Limits》一文中提出，且NLLF与BLLF的具体计算如下所示：

(5)

LR=R1·LI

(6)

式中：R1为螺母载荷损失系数(NLLF)；LR为螺栓残余载荷(N)；LI为初始螺栓载荷(N)；hG为法兰力矩臂(mm)；qf为法兰刚度(rad/N)；qb为螺栓刚度(mm/N)；qg为垫片刚度(mm/N)；nb为螺栓数量；qN为螺母刚度(mm/N)。

(7)

LR,A=R1·LI,A-R1·R2·LI,B

(8)

式中：R2为螺栓载荷损失系数(BLLF)；LR,A为螺栓残余载荷,A部分(第一组)螺栓(N)；LI,A为初始螺栓载荷,A部分(第一组)螺栓(N)；LI,B为初始螺栓载荷,B部分(第二组)螺栓(N)。

液压拉伸器通常用于M50及更大的螺柱，在正确应用的前提下，液压拉伸通常快捷和准确。由于没有扭力和螺纹磨损，也可以提高螺柱寿命，螺栓再利用的风险就变得更小。此外，液压拉伸器以均匀加载的方式同时在螺栓周围施加载荷，这会使得垫片压缩更均匀，弹性相互作用更少，从而降低了螺栓法兰组装过程中垫片损坏的可能性。

液压拉伸十分依赖NLLF和BLLF这2个值的准确估算或计算。如果未以合理的精度水平确定这些损耗因子的值，则该方法可能不如扭矩控制准确。特别是在短螺栓(通常认为螺栓长度与公称直径之比小于5)的情况下。

液压拉伸的高效性还体现在紧固方式可以采用全部或部分螺栓同时拉伸紧固。图1与图2分别展示了以24路螺栓为例时，100%螺栓拉伸器覆盖率与50%螺栓拉伸器覆盖率时，法兰螺栓装配的操作步骤[23]。

图1 100%螺栓拉伸器覆盖率

图2 50%螺栓拉伸器覆盖率

100%螺栓拉伸器覆盖率时，操作步骤如下：

步骤一：螺栓拉伸器按规定安装好之后，所有螺栓同时承受70%的螺栓装配载荷，并测量法兰之间的间隙。

步骤二：所有螺栓同时承受105%～150%的螺栓装配载荷(压力倍增系数为1/NLLF)，并测量法兰之间的间隙。

为了最大程度地减少松弛，最后在不测量法兰间隙的条件下，将螺栓拉伸器的压力从0加到满载，并拧紧螺母。重复几次，直到螺母不发生移动时移除螺栓拉伸器。

50%螺栓拉伸器覆盖率时，操作步骤如下：

步骤一：将所有螺栓间隔式分为2组，且对第一组施加70%的螺栓装配载荷，并测量法兰之间的间隙。

步骤二：在同一组螺栓上同时施加110%～200%的螺栓装配载荷(压力倍增系数为(1+BLLF)/NLLF)，并测量法兰之间的间隙。为了最大程度地减少松弛，将螺栓拉伸器的压力从0加到满载，并拧紧螺母。重复几次，直到螺母不发生移动为止。

步骤三：在第二组螺栓上同时施加105%～150%的螺栓装配载荷(压力倍增系数为1/NLLF)，并测量法兰之间的间隙。为了最大程度地减少松弛，最后在不测量法兰间隙的条件下，将螺栓拉伸器的压力从零加到满载，并拧紧螺母。重复几次，直到螺母不发生移动时移除螺栓拉伸器。

步骤四：在第一组螺栓上至少安装4个螺栓拉伸器，施加100%的螺栓装配载荷，如果用手转动螺母，则应将所有第一组螺栓都拉紧至装配载荷的105%～150%(与步骤三中的值大小相同)，然后在螺栓的下一个位置重复此检查，直到螺母的移动量小于规定的极限。

以上装配方法是以24路法兰螺栓为例，具体的100%螺栓拉伸器覆盖率与50%螺栓拉伸器覆盖率时的螺栓拉伸器的使用方法需要参照指南中的详细说明。

对于螺栓拉伸器覆盖率小于50%的情况，其步骤与50%覆盖率时的步骤相类似。只是会多出许多操作步骤与检查步骤。但事实上，随着使用的螺栓拉伸器数量的减少，该方法的精度大幅降低(由于额外的交互作用的发生)，实现相同精度所需的程序长度大幅增加，在这一点上，扭矩组装可能会变得同样准确，通常实质上更快。若仍然坚持使用螺栓拉伸器，则可以通过合理地调高螺栓所承受的载荷(需满足螺栓张紧器的载荷限制与螺栓法兰接头的屈服限制)，从而有效地减少操作的步数，并且获得更精确的螺栓应力[23]。

4 结语

螺栓法兰连接在压力容器以及管道中应用十分广泛，指南在切实保障螺栓法兰连接安全性方面起到了关键作用。在2019版指南之中，正文部分虽然在主体上没有太多变化，但是增加了多处注释与脚注。这一系列变化帮助读者更加准确地理解指南所传达的意思。新版指南的主要变化是附录部分：删除了附录G《螺栓服务中承包商的使用》的内容，基于工程经验新增了附录Q《动力设备使用的注意事项》，体现了工程经验方面的最新成果，提升了指南在工程应用方面的严谨性和指导价值。

综上所述，2019版指南经过修订与更新之后，变得更加完善、全面与具体，这给我国目前螺栓法兰连接的工程安装工作以很多参考与启示。企盼我国早日推出这一方面相关的标准，从而更好地规范我国压力边界内螺栓法兰的连接工作，以保证螺栓法兰连接的安全性与可靠性。