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閥體連接螺栓、螺母與螺孔設計中若干問題的探

時間::2018-06-20 15:12:45 作者:: 點擊: :7521 次

閥體連接螺栓、螺母與螺孔設計中若干問題的探討
——兼對國內外相關標準的解讀與質疑

鄔佑靖
(2008-8)

摘要:本文從閥體連接螺栓、螺母與螺孔等強度設計的理念出發,對國內外相關的設計標準進行解讀,對若干標準提出質疑。
 

一、 問題的提出

  回顧二十世紀五、六十年代,中國的工業界普遍采用原蘇聯的TOCT標準,TOCT標準大都是基礎標準,缺少專業化的設計標準和產品標準。因此,閥門的設計是依賴于設計手冊和教科書。八十年代以后,歐美標準全面替代了蘇聯標準,國內的GB標準、JB標準大都從美標轉化,而歐美標準很多是專業的產品標準和設計標準,例如ANSI B16.34《法蘭、螺紋和焊接端閥門》就是設計標準,美國石油學會的API 6D《石油與天然氣工業——管線輸送系統——管線閥門》就是產品標準。這些標準規范了產品的設計,更利于產品的統一和提高,同時又是國與國之間貿易的一種技術壁壘。

就閥門設計而言,五、六十年代工程師們按照手冊來進行閥門產品設計。閥體的壁厚、法蘭、法蘭螺栓、螺母、閥桿等均需進行復雜的計算。而今天閥門的計算就可大大簡化,壁厚只需查標準,螺栓設計可按簡化了的經驗公式。但在按照這些標準進行簡化計算時,容易忽視應用這標準和簡化公式的前提條件。標準不是教科書,它不做詳細的說明,標準的解釋又屬于標準的起草者而不是讀者。因此,在應用標準時對標準的解讀就十分重要。不準確的解讀和理解會引起錯誤,甚至在國外標準等同地轉化為國內標準時,亦會出現問題。

  例如:GB/T12237-2007《石油、石化及相關工業用鋼制球閥》5.6“殼體的連接”一節中敘述:

“閥體與左閥體采用螺栓連接形式的,當螺栓小于等于M27時,可以采用粗牙螺紋;當螺栓大于M27時,應當采用牙距不超過3mm的螺紋,螺紋的尺寸和公差按GB/T196和GB/197的規定。”

 

在GB/T19672-2005《管線球閥》6.10“螺栓”一節中,亦有同樣的敘述:

 

“閥門殼體為螺栓連接時,(閥體與閥蓋之間,左閥體與右閥體之間等)應當采用高強度合金鋼的帶螺母的雙頭螺栓。螺紋直徑小于等于27mm螺紋,采用粗牙;螺紋直徑大于27mm的螺紋,采用螺距為3mm的螺紋。”

   當閥門的通徑很大時,我們可能會選用M90的螺栓,按照標準,我們選用M90 X 3,試看螺栓截面的拉伸強度和螺紋的剪切強度。

 螺栓截面的拉伸強度為:

    π/4 d2[σ]                          (1)

  式中: d為螺紋內徑,  [σ]為材料的抗拉許用應力。

 螺紋的剪切強度為:

  8πd  x  0.75t  x  0.65[σ]        ?。?)

    式中: 8πd為有效圈數為8圈時的螺紋展開長度; 0.75t為螺紋的根部厚度, t為螺距; 0.65[σ]為材料的剪切許用應力。

  按照等強度的設計理念,螺栓設計時,螺栓橫截面積的拉伸強度應該小于或等于螺紋根部的剪切強度。令式(1)等于式(2),并把d近似看作為螺栓直徑,則可得出:

t ≌ d/16

 

就是當螺紋的螺距t近似等于d/16時,螺栓截面與螺紋是等強度設計。當t<d/16時,螺紋剪切強小于螺栓截面拉伸強度;當t>d/16時,螺紋剪切強度大于螺栓截面拉伸強度。

 

 

應當注意,螺栓的計算一般只校核螺栓的截面,這是因為對于粗牙螺紋其螺紋剪切強度均大于螺栓的拉伸強度,但對于細牙,當螺距t≦d/16時,就不能不校核螺紋的強度。螺紋的有效圈數只有8圈,細牙螺栓的設計當承受大載荷時存在螺紋脫牙的危險。

 

  應當注意,當某些標準對于閥體螺栓建議采用高強度螺栓材料時,不能忘記,閥體的材料是低碳鋼,閥體上螺孔是低碳鋼材料,高強度的螺栓擰在低強度的閥體螺孔中,閥體螺孔螺紋是設計中危險截面,設計中應當校核閥體螺紋強度并采取措施。

   在國內法蘭標準中,JB標準的法蘭螺栓是標準螺栓,即粗牙螺紋。但在國標美洲體系法蘭標準中出現M90x3的螺栓,歐洲體系法蘭直徑螺栓細牙螺紋其螺紋的剪切強度同樣小于螺栓截面的拉伸強度。ISO 17292-200《Metal ball valve for petroleum,petrochemical and allied industries petroleum》第5.2.14.2一節中同樣作了類似的敘述,也存在螺紋強度不足的問題:

   “公制螺栓M30和小于M30的采用粗牙螺紋,公制螺栓大于M30的采用螺距3mm的細牙螺紋,公制螺紋符合ISO 261,公差按照ISO 965-2 6g級。”

二、 問題的緣由與標準的解讀 
 

 國內GB閥門標準和國際ISO閥門標準中存在的問題是由于不準確的解讀美國石油協會API 608《Metal ball valve- flanged,threaded,andwelding ends,NEQ》,而產生的,API 608節4.10“閥門殼體連接和螺栓”中,4.10.2是這樣描述的:

   “殼體組裝用的螺栓,必須帶螺釘頭螺栓或者雙頭螺栓,螺母必須是半精制六角螺母符合ASME B18.2.2,螺栓的螺紋符合ASME B1。少于和等于一英寸螺栓(2.54厘米),用粗牙UNC螺紋,螺栓大于1英寸(2.54厘米)用一英寸8牙系列(8UN)….”

    顯然,在這里GB標準和ISO標準把1英寸的美制螺紋讀作公制螺紋M27和M30,把8UN系列讀作為細牙,螺距為3mm。

   什么是8UN系列螺紋?我們查閱美標ASME B.1.1《統一英值螺紋》,第3.6(a):

   “8UN-8牙系列,是用于大直徑或介于粗牙和細牙系列之間的不變螺距系列。雖然該系列最初用于高壓連接的螺栓和螺母,但現在已廣泛的用來代替直徑大于1英寸的粗牙螺紋系列。”

  顯然,我們不能把8UN系列解讀為細牙,事實上,它是替代粗牙的一個系列,因為替代了粗牙系列,所以在API 608中,螺栓大于1英寸(25.4 mm)的用一英寸8牙系列(8UN)。不能把8UN系列一英寸(25.4mm)螺栓讀作公制螺栓M27和M30;8UN系列一英寸8牙解讀為公制螺栓螺距為3mm(25.4/8)。8UN系列的螺紋是要滿足ASME B1.1的螺紋的牙型,它不同于公制螺紋的標準牙型。試看B16.34對該標準螺栓連接有關螺紋的解釋:

   解釋:I-20
   主題:6.4;
   螺栓連接
   發布日期:1983年6月3日
   文件號:B16-83-003
   問:可否采用不同于ANSI B1.1(ASME B1.1)牙型的螺栓連接來連接標記符合ANSI B16.34要求的閥門的閥門法蘭。
   答:不可。B16.34的6.4規定只可用ANSI B1.1牙型的螺栓連接。

   解釋:I-35
   主題:6.4;
   螺栓連接
   發布日期:1985年2月27日
   文件號:B16-84-014
   問:按ANSI B16.34的要求,當米制閥門螺栓連接滿足相應ASME技術條件的化學成分和機械性能的要求。并滿足ANSI B1.1牙型的強度要求時,這樣的米制閥門法蘭螺栓連接允許使用嗎?
   答:不允許。ANSI B16.34第5章要求應用的ASTM材料。6.4要求螺栓連接按照ANSI B1.1加工的螺紋。
  
  ANSI B16.34的解釋是不允許,不能用公制螺紋的螺栓去機械地等同美制螺紋(ANSI B1.1)的螺栓。

   我們再進一步查看,API608關于連接螺栓的規定,其來源和依據是ASME B16.5的法蘭標準,其中第6.10.1法蘭螺栓尺寸,標準中敘述如下:

   “兩端帶螺紋或全螺紋雙頭螺絲或螺栓可用作法蘭螺栓。螺栓、雙頭螺栓和螺母的推薦尺寸見表1C”。

Table 1C 推薦的法蘭連接螺栓

  碳鋼 合金鋼
螺栓 螺紋滿足ASNE B1.1, 2A級粗牙螺紋 1英寸以下的螺栓,螺紋滿足ASNE B1.1, 2A級粗牙螺紋。大于1英寸的螺栓采用8牙/1英寸系列(8UN系列)
螺母 螺紋滿足ASNE B1.1, 2B級粗牙螺紋 1英寸以下的螺栓,螺紋滿足ASNE B1.1, 2B級粗牙螺紋。大于1英寸的螺栓采用8牙/1英寸系列(8UN系列)

 由此可見,

   (1)8牙/1英寸系列就是美制8UN系列,是替代大直徑螺栓粗牙螺紋的一個系列。不允許讀作公制螺栓>M27螺距為3mm。ASME B16.5 沒有對公制螺紋作出規定。

   (2)對于碳鋼材料的螺栓和螺母 ,按ASME B16.5推薦,采用粗牙系列;

   (3)ASME B1.1美制螺紋牙型不同于公制螺紋牙型,不能等同。因此,不能把 “螺紋大于1英寸的采用8牙/1英寸系列。” 解讀為“螺紋直徑大于27mm的螺栓,采用螺距為3mm的公制螺紋。”

三、 閥門殼體連接螺栓,螺紋和螺孔的設計與計算

  按照ANSI B16.34-2004閥門殼體連接螺栓的計算公式;當英制螺紋滿足ASME B1.1,許用應力采用Psi單位時:

  Pn x Ag / Ab = 0.35 [σ]< 7000 Psi                (3)

  當公制螺紋滿足ASME B1.13,許用應力采用Mpa單位時:

   Pn x Ag / Ab = 0.35 [σ]< 49 Mpa                  (4)

  式中:Pn 額定壓力值,Ag 閥體由墊片O型圈密封限定的有效面積 ,Ab螺栓總的有效拉伸截面積 ,[σ]為螺栓材料的抗拉許用應力。

  這是一個充分簡化的經驗公式。這里有二個問題要引起注意,第一,為什么許用應力[σ]要乘以0.35,按照ANSI B16.34的解釋,這一經驗公式是來自ANSI B16.5的法蘭標準,已經有幾十年的使用的經驗。第二為什么許用應力[σ]乘以0.35后還要限止<7000Psi,或者<49Mpa。按照ANSI B16.34的解釋,這是因為推薦的螺栓,螺母材料中有許用應力[σ]= 2000Psi(138Mpa)的材料.也就是無論你選擇何種高強度材料,螺栓計算時,材料的許用應力仍按[σ]= 2000Psi(138Mpa)考慮??梢?,這是一個充分簡化的又十分保守的經驗公式。

    ANSI B16.34 提供的經驗公式只計算螺栓總的有效拉伸截面積,不考慮螺栓,螺母的螺紋剪切強度。因此,工程師必須確認你設計的螺栓它的螺紋剪切強度大于螺栓有效截面積的拉伸強度。應該指出,粗牙螺紋的剪切強度大于螺栓有效截面積的拉伸強度。因此,也可以認為,ANSI B16.34提供的公式是指粗牙螺紋的螺栓。再依據是ANSI B16.5的法蘭標準中第6.10.1中表1C關于“螺栓、雙頭螺栓和螺母的推薦”,對于碳鋼閥體材料如A105,LF2,WCB,WCC等推薦采用粗牙螺紋ASMEB1.1。

四、 結論與存疑 

ANSL B16.34中關于閥體連接螺栓的計算,以及API 608中關于閥門殼體連接螺栓的推薦,均來源于ASME B16.5的法蘭標準,表IC。

  ASME B16.5法蘭標準表IC中明確規定對于碳鋼材料的螺栓螺母選用美制ASME B1.1螺紋標準的,均建議選用粗牙。只有選用合金鋼螺栓時,如果選用美制ASME B1.1螺紋,對于1英寸以下的建議用粗牙,對于1英寸以上的建議采用8UN系列,即1英寸8牙系列。

  API 608對螺栓的推薦,忽視一個問題,就是大部閥體材料是碳鋼,閥體上的螺孔應視為螺母。似無必要規定螺栓螺紋的粗細。

  ANSI B16.34-2004版中增加公制螺紋的計算,但ASME B16法蘭標準表IC沒有提到公制螺紋,API 608也沒有提到公制螺紋。而B16.34的經驗計算公式,只計算螺栓截面拉伸強度,不計算螺紋的剪切強度,這是因為假設設計的螺栓其螺紋強度大于螺紋強度。

  按ANSI B16.34的解答。不允許公制螺紋去替代美制螺紋,就是不能把1英寸8牙理解為公制螺紋螺距是3毫米。對此作出明確的否定回答。

  對于合金鋼螺栓關于8UN系列的推薦,是因為8UN系列已替代了粗牙系列。至于8UN系列是否可以用于美制大直徑螺栓(如4”螺栓),是否存在螺紋強度的不足,這是美制螺紋基礎標準的問題,因由ASME B1.1來作出解釋,本文姑且存疑。

  國內閥門標準中有關螺栓的問題,筆者認為標準沒有必要對螺栓的螺距做出規定, 應由制造廠在保證螺紋強度,螺栓強度的條件下,自行決定。

  參考資料:

 〔1〕西北工業大學機械另件教研室:機械另件,1982。
 〔2〕ASME B16.5《管道法蘭與法蘭聯接管件》
 〔3〕ASME B1.1《統一英制螺紋》
 〔4〕ANSI B16.34《法蘭、螺紋和焊接端閥門》

鄔佑靖:1960年西安交通大學動力機械系畢業,高級工程師,長期從事管線球閥的設計、制造工作?,F為上海耐萊斯·詹姆斯伯雷閥門有限公司總工程師。

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