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化 工 设 备 与 管 道第42卷螺栓拧紧方法及预紧力控制初泰安(扬子石油化工公司芳烃厂,南京 210048)[摘要] 石化、炼油企业装置上的静密封结构以螺栓法兰垫片连接系统为主,检修期间螺栓拧紧方法的选择和预紧力的正确控制对保证装置的安全运行至关重要。
本文介绍了实际生产中常用的扭矩法、螺母转角法和液压拉伸法的基本原理,并给出了各种预紧力的控制方法及其所能达到的精度,对安装和维修有一定的指导意义。
[关键词] 螺栓; 预紧力; 拧紧; 法兰连接 螺栓法兰连接在化工装置中广为应用。
为了保证法兰连接系统紧密不漏、安全可靠地长周期运行,垫片表面必须有足够的密封比压,特别在高温工况下垫片会产生老化、蠕变松弛,法兰和螺栓产生热变形,高温连接系统的密封比常温困难得多,此时螺栓预紧力的施加与控制就显得十分重要,过大或过小的预紧力都会对密封产生不利影响。
螺栓预紧力过大,密封垫片会被压死而失去弹性,甚至会将螺栓拧断;过小的螺栓预紧力又使受压后垫片表面的残余压紧应力达不到工作密封比压,从而导致连接系统泄漏。
因此如何控制螺栓预紧力是生产实际中必须重视的问题。
1 螺栓拧紧方法1.1扭矩拧紧法扭矩拧紧法[1、2]是最常用的螺栓拧紧方法,通过扭矩扳手显示的扭矩值来控制被连接件的预紧力,操作简单、直观。
拧紧螺栓时的拧紧力矩:M=K t Q0d×10-3N m式中:Q0———预紧力,N;K t———计算系数;d———螺栓的公称直径,m m。
Q0=MK t d×10-3N(1)系数K t与螺纹表面及法兰的光洁度、润滑状况、拧紧速度、所用拧紧工具、以及反复拧紧时的温度变化等有关,通常在0.1～0.3之间变化。
K t的变化将导致预紧力Q0也发生较大变化,变化范围大约在40%左右。
所以,如采用扭矩法拧紧螺栓,其计算载荷需要1.3倍最大工作载荷,这必然会造成螺栓直径增大,或数量增加,或提高材质。
这对简化结构、降低成本,减轻其重量都是不利的。
螺栓联接的疲劳破坏及改善措施
螺栓联接是一种常见的机械连接方式，但在长期使用过程中，可能会发生疲劳破坏。
疲劳破坏是由于重复加载引起的应力集中和裂纹扩展导致的材料失效现象。
为了改善螺栓联接的疲劳性能，可以采取以下措施：
1. 材料选择：选择高强度和耐疲劳性能良好的材料可以有效提高螺栓的疲劳寿命。
常用的高强度材料包括合金钢和不锈钢等。
2. 表面处理：通过表面处理可以提高螺栓的耐蚀性和耐疲劳性能。
常见的表面处理方法有镀锌、磷化、喷涂等，这些方法可以增加螺栓的表面硬度和耐磨性。
3. 加工工艺控制：在螺栓的制造过程中，严格控制加工工艺可以减少内部缺陷和应力集中。
例如，合理控制螺纹加工尺寸和加工质量，避免产生过大的应力集中。
4. 螺栓预紧力控制：适当的螺栓预紧力可以提高螺栓联接的疲劳寿命。
预紧力过大会导致螺栓应力集中和材料的塑性变形增加，而预紧力过小会使得螺栓松动和疲劳寿命下降。
因此，根据具体应用情况，需要合理控制螺栓的预紧力。
5. 定期检查和维护：定期检查螺栓联接的紧固力和表面状态，及时发现并处理松动、腐蚀和裂纹等问题，可以延长螺栓的使用寿命。
总之，通过合理的材料选择、表面处理、加工工艺控制、螺栓预紧力控制以及定期检查和维护，可以有效改善螺栓联接的疲劳性能，延长螺栓的使用寿命。
螺纹拧紧技术
螺纹拧紧技术是一种用于增强联接刚性、增加紧密性和提高防松
能力的技术。
其目的是为了提高整个产品的质量、安全性能和有效性。
对于受轴向拉力的螺栓联接，还可以提高螺栓的疲劳强度；对于受横
向载荷的普通螺栓联接，有利于增大联接中接合面间的摩擦力。
拧紧螺母时，加在扳手上的力矩T用来克服螺纹牙间的阻力矩T1
和螺母支承面上的摩擦阻力矩T2，即T=T1+T2。
对于M10〜M68的
粗牙螺纹，若取卩=0.15及卩'=0.15，则式（4）可简化为T~0.2F'd Nmm，其中d为螺纹公称直径，F'为预紧力。
控制拧紧力矩的方法包
括使用测力矩扳手或定力矩扳手，装配时测量螺栓的伸长，规定拧紧
后的扳动角度或圈数，对于大型联接，还可利用液力或加热使螺栓伸
长到需要的变形量时把螺母拧到与被联接件相贴合，近年来还发展了
利用微机通过轴力传感器获取数据并画出预紧力与所加拧紧力矩对应
曲线的方法来控制拧紧力矩。
第三节 螺纹联接的预紧
多数情况下，螺纹联接在装配时需要拧紧，称为“预紧”。
预紧使联接中的零件受到的力，称为“预紧力”。
拧紧，螺栓受拉，被连接件受压，使之在承受工作载荷之前，螺栓已预先受到力的作用，这个预加作用力称为预紧力F 0。
拧紧的目的：⎩⎨⎧提高螺栓的疲劳强度。
增强联接的刚性，还可防松，保证紧密性
.2 .1
预紧力的大小会影响联接的可靠性，强度和密封性。
所以对重要的联接应控制预紧力。
预紧力的控制通常是通过控制拧紧时所施加的拧紧力矩来实现的。
拧紧后螺纹联接件的预紧应力不得超过其材料的屈服极限Ϭs 的80%。
控制拧紧力矩的常用方法是用测力矩扳手，定力矩扳手来实现。
例如：汽车的生产流水线，用风洞的或电动的定力矩扳手拧紧螺栓。
所施加的力矩是一个定值。
控制预紧力的更精确的方法：通过测量拧紧时螺栓的伸长量来控制'F 。
拧紧螺母时，需要克服的摩擦阻力矩由两部分组成：
⎩⎨
⎧21T T 支撑面的摩擦阻力矩螺纹副上的摩擦阻力矩
经推导分析得拧紧力矩 T=21T T + 由于摩擦系数不稳定，和加在扳手上的力难于准确控制。
对于直径较
小的螺栓，有时可能会被拧断。
所以，对于重要的联接，不宜采用小于M12~M16的螺栓。
对于重要的螺栓联接，可以采用测定螺栓伸长量的方法来控制预紧力。
d
F T 02.0≈。
对螺纹联接预紧力控制方法
现代机械和各种工程结构中广泛采用螺纹联接，螺纹联接轴向预紧力的大小直接影响着螺纹联接的质量。
在螺纹联接理论基础上，介绍并分析了5种抽向预紧力的控制方法及其特点，供相关技术人员有选择地使用。
1 引言
螺纹联接可以获得很大的联接力，并且装拆方便可靠。
螺纹联接制造方便，标准化程度高，品种多，能适应各种不同的工作条件，因此，在机械和各种工程结构中广泛采用螺纹联接。
绝大多数螺纹联接在安装时都必须拧紧，使被联接件受到压缩，同时螺栓受到拉伸，这种在螺栓承受工作载荷之前受到的力称为预紧力。
预紧的目的是为了提高联接的可靠性、紧密封和防松能力。
对于承受轴向拉力的螺纹联接，还能提高螺纹的疲劳强度。
对于承受横向载荷的普通螺纹联接，可以增大联接中接合面间的摩擦力。
预紧力的适当控制又是确保螺纹联接质量的关键。
预紧力过小，将导致联接松动而失效，预紧力过大，将导致装配时或偶然过载时螺栓过度屈服而产生早期断裂。
在许多产品的装配中，控制预紧力的方法是凭工人的经验和感觉。
实践表明，一个技术熟练的工人凭感觉拧紧螺栓，其预紧力误差可能高达士40%。
所以必须有一套控制和测量预紧力的方法。
2 预紧力的控制方法
(1) 力矩法
预紧力与拧紧力矩的关系:预紧力的大小，由施加的扳手力矩大小来控制。
以螺栓联接为例，螺栓联接的拧紧力矩指达到要求预紧力时的扳手力矩。
拧紧螺母时，加在扳手上的力矩T，用来克服螺纹牙间的阻力矩T;和螺母支承面上的摩擦阻力矩兀，
即T= T ,+几。
对于 M1 0一M68的粗牙普通螺纹，无润滑时有如下近似关系
T= 0 . 2F d式中 F—预紧力，N;
d—螺纹大径，nim0
预紧力的大小根据螺栓组受力和联接的工况要求决定。
一般规定螺
纹联接件的预紧力不得大于其材料屈服极限的80% ，推荐预紧力为其材料屈服极限的50% 一70%.力矩控制法就是根据轴向预紧力F
与拧紧力矩T的关系，确定拧紧力矩。
用力矩扳手控制拧紧力矩时，可以借助测力矩扳手或定力矩扳手。
这种方法是目前国内应用最广
泛的一种控制方法。
但根据多种资料及试验结果显示，这种方法可
能会产生土25%的预紧力误差。
由于联结螺纹不可避免地存在制造误差，使批量生产中的螺纹尺寸、形状存在差异;有时甚至存在铁屑、沙粒、碰伤等缺陷;批量装配中涂敷润滑剂的多少及拧紧速度、温度不相同等因素，摩擦阻力不能保持恒定，所以使联接力的精度仅为20%一30%。
该方法仅可在对轴向预紧力精度要求不高的场合采用。
(2) 螺母转角法
螺纹副多数要承受交变应力，因此螺纹联接件的疲劳强度很重要。
当前先进的螺纹拧紧工艺，推荐螺栓应拧紧到屈服极限或塑性变形区，这一措施将会大幅度提高螺栓副的疲劳强度。
然而“扭矩法”
控制难以做到使螺栓副预紧到屈服极限或塑性变形区。
具体做法是，先将螺母拧紧到与被联接件贴紧后，然后再用扳手旋
紧规定的角度p。
在初步拧紧时，消除了螺母和被联接件之间的间隙，在最后拧紧时用角度中来保证螺栓的伸长变形量S，从而保证
预期的预紧力。
lp的大小和螺栓、螺母及被联接件的材料、尺寸有关，同时还要考虑螺栓的弹性变形以及初步拧紧时的紧度。
该法获
得的轴向预紧力除受联接系统刚度影响外，几乎不受联接件制造误
差和联接件之间摩擦系数的影响，控制精度高，可将预紧力控制在
土巧%的误差范围内，所以可得到较高精度的预紧力。
该控制法适
于在诸如汽车发动机主轴承盖、缸盖与机体的联接中采用。
螺母转
角控制法装配时采用机电一体化的自动装配机进行。
国际上先进的
有瑞典某公司生产的产品“FM一g 螺母拧紧机。
它由2个运行机构、2套测量机构来实现螺栓副的拧紧。
其中一套是进行贴紧扭矩的拧紧，检测到额定扭矩值后进行切换，另一套机构进行转角拧紧，并
有角度编码器计算角度，到位后发出信号，停止片刻，再进行第2
次转角拧紧，到位后再发出信号，报告拧紧完毕。
最后，计算机运
算后打印出数据或曲线。
自动装配机在记录转角和控制的同时还可
检测扭矩，利用拧紧扭矩和螺母转角给出的信息，能发现联接处有
诸如污物、毛刺、螺纹碰伤、乱扣等缺陷以及螺栓热处理质量和材
料抗拉强度的高低。
我国已有几家汽车厂、内燃机厂以几万美元的
价格引进该设备，由于价格昂贵，其推广应用受到一定限制。
国内
已有研究人员设计出“扭矩拧紧转角扳手”。
(3) 伸长量控制法
对大直径螺栓联接，则可通过测量螺栓伸长量的方法来控制预紧力。
用测微计测量螺栓的弹性伸长，然后利用预先校准的螺栓载荷
变形曲线或利用公式计算预紧力。
该法控制的预紧力能排除摩擦系数、接触变形和被联接件变形等可变因素的影响，预紧力可达到土5%的精度。
但在实用中，由于伸长量控制法需要准确地测出伸长量，受联接方式、测量仪器结构及测量精度限制，尤其在大批量快节奏
的生产场合，目前应用起来有一定麻烦和困难。
可以相信，随着高效、精密测量仪器的开发和问世，伸长量控制法一定能在生产现场
得到广泛应用。
(4) 拉伸法
通过加热使螺栓预伸长到所需要的变形量，再拧紧螺母，冷却后螺栓缩短而获得一定的预紧力。
有2种方法加热，一般采用在油中加热，温度易于测量和控制，但预紧力的大小受材料弹性模量、线膨
胀系数和拧紧力矩系数影响较大。
另一种为在螺栓顶端的中心部位
有供电加热的深孔，待电加热器加热到一定温度后上紧螺母。
螺栓
的伸长也可以采用液压的方法来获得，该法可以认为是对预紧力的
直接控制和获得。
预紧力除受“松弛量”影响外，几乎不受其他因
素影响，轴向预紧力最高，可在预紧力要求很高、装配结构和装配
空间允许的场合使用。
同时，液压紧固采用的压力可高达220M Pa，以M30液压螺母为例，对螺栓施加的预紧力高达37k N。
这是用手
动扳手拧紧螺母方法不能达到的。
所以这种方法用于尺寸较大和重
型的螺栓联接，在煤矿机械的螺栓联接中也已获得使用。
(5) 特殊设计
在螺母的外圆和内螺纹之间沿圆周均布数个小的螺纹通孔，在这些
螺孔中有顶丝，依靠这些顶丝使螺栓受力，从而达到上述目的。
在
螺栓头部下方与被联接件接触部设计有环状突起，当预紧力达到给
定值时，突起的挤压变形量已达到预定值，用塞规测量螺栓头和被
联接件之间的间隙，可以决定螺栓是否已达到规定的拧紧力矩。
3 结语
控制预紧力的大小，可以通过控制螺纹的拧紧力矩的大小来实现。
前面介绍的各种控制方法，可以在生产实际中根据实际情况有选择
地使用。
