ASME PCC-1—2019《壓力邊界螺栓法蘭連接安裝指南》的解析*

潘凌峰 鄭小濤

(武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,湖北省綠色化工裝備工程技術(shù)研究中心 湖北武漢 430205)

隨著我國工業(yè)化程度的不斷普及，螺栓法蘭連接被廣泛應(yīng)用于石油化工領(lǐng)域、核電領(lǐng)域、航空航天領(lǐng)域[1-2]。由于螺栓法蘭連接數(shù)量龐大且服役環(huán)境復(fù)雜而多變，法蘭連接系統(tǒng)的泄漏事故常有發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年由法蘭接頭泄漏所帶來的直接經(jīng)濟(jì)損失有數(shù)億元之多[3-5]。在眾多螺栓法蘭連接失效原因中，缺少符合工程實(shí)際的行之有效的監(jiān)管規(guī)范一直是最重要原因之一[6]。ASME最早于2000年就頒布了《壓力邊界螺栓法蘭連接安裝指南》[7](以下簡稱指南)，并基于工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，于2010年、2013年和2019年分別對(duì)指南進(jìn)行了修訂與更新。本文作者在文獻(xiàn)[1-2]的基礎(chǔ)上，對(duì)2019年最新版指南進(jìn)行解讀，介紹其修訂內(nèi)容并進(jìn)行了探討，對(duì)于更好地規(guī)范我國壓力邊界內(nèi)螺栓法蘭的連接工作有一定參考價(jià)值。

1 關(guān)于ASME PCC-1—2019的簡介

美國機(jī)械工程師學(xué)會(huì)(ASME)于1993年成立了一個(gè)負(fù)責(zé)起草在役設(shè)備監(jiān)察和維護(hù)工程標(biāo)準(zhǔn)的特別工作組(Ad Hoc Task Group on Post Construction)，以解決壓力設(shè)備投入使用之后缺少相關(guān)的監(jiān)察與管理的問題。ASME的壓力技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)部于1995年成立建設(shè)后委員會(huì)(Post Construction Committee,PCC)為在役的壓力設(shè)備和壓力管道制定相關(guān)的監(jiān)察和管理的規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)。PCC于2000年頒布了第一版指南，之后又于2010年、2013年、2019年分別對(duì)指南進(jìn)行了修訂與更新。值得注意的是，2010版指南于2010年1月14日被美國國家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(ANSI)批準(zhǔn)作為國家標(biāo)準(zhǔn)[8]，2013版指南于2013年8月12日被ANSI批準(zhǔn)作為國家標(biāo)準(zhǔn)[9]，2019版指南于2019年1月17日被ANSI批準(zhǔn)作為國家標(biāo)準(zhǔn)[10]。相較于2013版，新版指南有許多的更新，其中最主要的變化在于兩點(diǎn)：一是在附錄O中引入目標(biāo)扭矩指數(shù)相關(guān)的參考扭矩表(表1M和1)；二是新增了附錄《動(dòng)力設(shè)備使用的注意事項(xiàng)》[10]，提出了動(dòng)力緊固設(shè)備的相關(guān)要求。

2019版指南包括16個(gè)正文章節(jié)和17個(gè)附錄(包括一個(gè)已經(jīng)刪除的附錄G)。其中，正文部分的16個(gè)章節(jié)相較于2013版指南沒有變化，正文部分針對(duì)應(yīng)用螺栓法蘭接頭的整個(gè)過程中所涉及到的檢查、校驗(yàn)、安裝、拆卸工作提出具體的操作要求。例如操作工人的資質(zhì)評(píng)定，法蘭接頭的找正，墊片的安裝，螺栓的安裝與緊固等過程都涵蓋在正文內(nèi)容之中。正文內(nèi)容切實(shí)保障了螺栓法蘭連接的可靠性，也保障了相關(guān)操作人員的人身安全問題。

附錄部分則是對(duì)正文內(nèi)容的進(jìn)一步完善與補(bǔ)充。正文所涉及的各項(xiàng)具體技術(shù)指標(biāo)都在16個(gè)附錄之中得到了充分說明。各個(gè)附錄主要內(nèi)容為：附錄A是螺栓連接裝配人員的培訓(xùn)和資格認(rèn)證；附錄B介紹了指南中的各個(gè)術(shù)語；附錄C和附錄D則給出了各種墊片接觸面的推薦加工粗糙度以及允許的缺陷深度；附錄E給出了關(guān)于法蘭接頭對(duì)中的具體操作方案；附錄F是傳統(tǒng)的螺栓緊固序列的代替方案；附錄G是對(duì)螺栓安裝服務(wù)承包商的介紹，在2019版的指南之中，這部分內(nèi)容已經(jīng)刪除；附錄H給出了螺栓根部和拉伸應(yīng)力區(qū)域的信息；附錄I介紹螺栓擰緊期間的彈性交互作用；附錄J和附錄K都是關(guān)于目標(biāo)扭矩的計(jì)算方法；附錄L提供了ASME B16.5法蘭螺栓的信息；附錄M給出了全硬化墊圈的使用指南和采購規(guī)范；附錄N是關(guān)于螺栓重復(fù)使用的相關(guān)信息；附錄O提供螺栓安裝時(shí)預(yù)緊力的計(jì)算方法；附錄P提供法蘭連接泄漏故障的排除指南；附錄Q給出了動(dòng)力設(shè)備使用的注意事項(xiàng)。

與2013版指南相比，2019版指南在正文的文字部分進(jìn)行了多處修訂與更新。與正文部分相比，新版指南的變化主要體現(xiàn)在附錄部分。

2 新版指南的修訂目的

2.1 規(guī)范并完善指南體系

新版指南的正文部分做了較多的關(guān)于文字編輯方面的修訂，其主要原因是為了避免讀者產(chǎn)生理解偏差[11-12]。例如正文第一部分的第一段關(guān)于指南適用范圍的定義。類似這樣的修訂占據(jù)了2019版指南正文部分更新的很大一部分。除此之外，新版指南還增加了許多腳注來幫助理解，也增加了一些專業(yè)術(shù)語的定義。例如增加了正文8.2節(jié)的腳注6，以及附錄A中增加了對(duì)高級(jí)螺栓裝配工的定義。除以上這2種更新之外，還有一部分更新屬于對(duì)舊版指南的勘誤，這部分的錯(cuò)誤主要集中在表達(dá)不規(guī)范以及印刷錯(cuò)誤。例如附錄O中的公式(O-3)、(O-8)等。

2.2 收錄最新的工程實(shí)踐技術(shù)

新版指南的主要變化就是刪除了附錄G《螺栓服務(wù)中承包商的使用》的內(nèi)容，以及增加了一個(gè)最新的附錄Q《動(dòng)力設(shè)備使用的注意事項(xiàng)》。

隨著螺栓法蘭連接的廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)手動(dòng)緊固方式逐漸顯現(xiàn)出越來越多的問題。為了解決這一系列問題，螺栓緊固的動(dòng)力設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生[13]。新版指南對(duì)動(dòng)力緊固設(shè)備從定義、優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)、使用注意事項(xiàng)和安裝注意事項(xiàng)等方面進(jìn)行了系統(tǒng)說明，給讀者一個(gè)完備的參考與建議。

3 新版指南修訂內(nèi)容的討論

3.1 附錄O中的參考扭矩表(表1M和1)

2019版指南的附錄O《裝配螺栓時(shí)預(yù)緊力的確定》中，給出了螺栓裝配時(shí)所需預(yù)緊力以及每個(gè)螺栓平均扭矩的計(jì)算方法[14]。

對(duì)于一個(gè)典型的螺栓法蘭裝置，裝配所需的預(yù)緊力可通過公式(1)計(jì)算[15]。

(1)

式中：Sbsel為密封所需螺栓力，MPa(psi);SgT為墊片密封所需螺栓力，MPa(psi);Ag為墊片承載面積，mm2(in.2);nb為螺栓的數(shù)量，個(gè)；Ab為螺栓承載面積，mm2(in.2)。

式(1)可以計(jì)算密封所需的螺栓平均預(yù)緊力，且通過式(2)與式(3)可將其轉(zhuǎn)換為裝配時(shí)所需的扭矩值。其中，式(2)采用公制單位，式(3)采用美國常用單位[16]。

Tb=SbselKAbφb/1 000

(2)

Tb=SbselKAbφb/12

(3)

式中：Tb為裝配螺栓所需的扭矩，N·m(ft-lb);Sbsel為密封所需螺栓力，MPa(psi);K為螺母系數(shù)；Ab為螺栓承載面積，mm2(in.2)；φb為螺栓直徑，mm(in.)。

為了使工程運(yùn)用更加便捷，附錄O中新增了表O-3.2-1M和表O-3.2-1。這兩張表是基于式(2)與式(3)計(jì)算形成，表中列出了單位螺栓力下，螺母系數(shù)分別為0.15、0.18、0.20時(shí)的扭矩值。當(dāng)獲取了目標(biāo)扭矩指數(shù)之后，再將其乘以螺栓密封所需要的螺栓力，可以直接得到裝配時(shí)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根據(jù)公制螺紋系列而確立，表O-3.2-1則是根據(jù)英制螺紋系列而確立。在運(yùn)用到不同的螺紋系列時(shí)，需要根據(jù)要求正確地選取相對(duì)應(yīng)的表格。為簡潔描述，文中僅摘錄表O-3.2-1M與表O-3.2-1的部分內(nèi)容，詳情查閱2019版指南。

表1 基于1 MPa(螺栓有效承載面積)單位預(yù)緊力計(jì)算低合金鋼螺栓目標(biāo)扭矩值的參考值(目標(biāo)扭矩指數(shù)/公制螺紋系列)(部分)

表2 基于1 ksi(6.89 MPa)(螺栓有效承載面積)單位預(yù)緊力計(jì)算低合金鋼螺栓目標(biāo)扭矩值的參考值(目標(biāo)扭矩指數(shù)/英制螺紋系列)(部分)

以表1為例，表格中的目標(biāo)扭矩指數(shù)由式(2)計(jì)算得到。例如，一個(gè)M20×2.5的公制螺栓，螺母系數(shù)為0.2。查取螺栓計(jì)算手冊(cè)以及指南的附錄H，得到螺栓的相關(guān)信息如表3所示。

表3 M20×2.5公制螺栓尺寸參數(shù)

則其目標(biāo)扭矩指數(shù)為

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

若與該螺栓裝配的法蘭為DN80 300級(jí)法蘭,在常溫工況下進(jìn)行計(jì)算，螺栓數(shù)量為8個(gè)，取設(shè)計(jì)壓力為5 MPa,墊片選自HG/T 20631—2009《鋼制管法蘭用纏繞式墊片》[18],有效承載面積為2 619 mm2，由API 660[19]可知墊片密封目標(biāo)應(yīng)力為200 MPa。

則其裝配時(shí)所需的扭矩為

圓整后最終扭矩取為265 N·m。

由上可知這2個(gè)目標(biāo)扭矩指數(shù)表的出現(xiàn)，極大程度地簡化了扭矩值的計(jì)算過程。

3.2 附錄Q《動(dòng)力設(shè)備使用的注意事項(xiàng)》

附錄Q《動(dòng)力設(shè)備使用的注意事項(xiàng)》是在指南中首次出現(xiàn)，這說明動(dòng)力緊固設(shè)備起著越來越重要的作用。例如，大型號(hào)螺栓在安裝時(shí)往往需要使用錘擊法，但螺栓受沖擊力容易發(fā)生“咬牙”和“剃牙”。為了解決這一系列問題，緊固螺栓的動(dòng)力設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生。隨著動(dòng)力設(shè)備在螺栓緊固環(huán)節(jié)中的使用，迫切需要對(duì)其進(jìn)行更深的理解與掌握，這樣才能保證正常使用這些工具來達(dá)到緊固目的。附錄Q就是為使用動(dòng)力設(shè)備組裝壓力邊界螺栓法蘭時(shí)，對(duì)可能需要考慮的其他注意事項(xiàng)進(jìn)行說明。

動(dòng)力設(shè)備可以包括液壓、電動(dòng)或氣動(dòng)螺栓擰緊工具。附錄Q中一共介紹了2類、共3種動(dòng)力設(shè)備，分別是氣動(dòng)和電動(dòng)扭矩扳手、液壓扭矩扳手、液壓拉伸器[20]。其中，氣動(dòng)和電動(dòng)扭矩扳手分別由空氣、電動(dòng)馬達(dá)組成，通過減速齒輪系統(tǒng)連接到裝配套筒上，其優(yōu)點(diǎn)是使用起來迅速便捷，相較于液壓扭矩扳手往往更加方便，缺點(diǎn)是這二者的使用精度很難得到保證，會(huì)受到諸如氣體參數(shù)、電池電量等諸多因素的影響。在使用時(shí)，氣動(dòng)與電動(dòng)扭矩扳手的使用方法與手動(dòng)扳手相同。

液壓扭矩扳手是使用小液壓缸，通過套筒或連桿向工具施加扭矩[21]。液壓扭矩扳手有2種常見的類型：方形驅(qū)動(dòng)型和低矮型。其中，方形驅(qū)動(dòng)型液壓扭矩扳手可以通過類似于手動(dòng)扭矩扳手的方法，替換標(biāo)準(zhǔn)的沖擊套筒來覆蓋更大螺栓直徑范圍。低矮型液壓扭矩扳手所需的螺母間隙較小，并且由于螺母的固有對(duì)齊方式、扭矩的施加點(diǎn)和扭矩的反作用力等因素，低矮型液壓扭矩扳手在大多數(shù)情況下更易于使用。此外，與方形驅(qū)動(dòng)型液壓扭矩扳手所使用的套筒相比，低矮型液壓扭矩扳手可在有更多螺柱的情況下使用。液壓扭矩扳手的使用相對(duì)而言也較為容易，使用方法類似于手動(dòng)扭矩扳手，并且能夠應(yīng)用于各種扭矩水平。方形驅(qū)動(dòng)型液壓扭矩扳手可以產(chǎn)生更高扭矩水平，其對(duì)于大直徑螺栓的拆卸更有效。但是，液壓扭矩扳手最大的缺點(diǎn)就是所需的安裝時(shí)間較長以及螺栓載荷變化較大。

液壓拉伸器是采用小型中空液壓缸，通過螺紋擰到螺栓的末端，通過缸中的液壓將拉伸力作用在螺栓上[22]。螺栓獲得所需的螺栓載荷后，就將螺母旋轉(zhuǎn)到與法蘭接觸的狀態(tài)，并釋放拉伸器壓力，使螺栓載荷轉(zhuǎn)移到螺母上。在載荷傳遞到螺母上時(shí)，所施加的拉伸載荷部分損失，這稱為螺母載荷損失系數(shù)(NLLF)。如果使用的拉伸器覆蓋率小于100%，即拉伸器個(gè)數(shù)小于待固緊螺栓個(gè)數(shù)，則在擰緊第二組及以后的任何一組螺栓時(shí)，由與其他部件的變形作用，例如法蘭變形和墊圈壓縮等，這會(huì)導(dǎo)致先前擰緊的螺栓載荷進(jìn)一步降低，這種載荷損失稱為螺栓載荷損失系數(shù)(BLLF)。NLLF與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與BLLF的具體計(jì)算如下所示：

(5)

LR=R1·LI

(6)

式中：R1為螺母載荷損失系數(shù)(NLLF)；LR為螺栓殘余載荷(N)；LI為初始螺栓載荷(N)；hG為法蘭力矩臂(mm)；qf為法蘭剛度(rad/N)；qb為螺栓剛度(mm/N)；qg為墊片剛度(mm/N)；nb為螺栓數(shù)量；qN為螺母剛度(mm/N)。

(7)

LR,A=R1·LI,A-R1·R2·LI,B

(8)

式中：R2為螺栓載荷損失系數(shù)(BLLF)；LR,A為螺栓殘余載荷,A部分(第一組)螺栓(N)；LI,A為初始螺栓載荷,A部分(第一組)螺栓(N)；LI,B為初始螺栓載荷,B部分(第二組)螺栓(N)。

液壓拉伸器通常用于M50及更大的螺柱，在正確應(yīng)用的前提下，液壓拉伸通?？旖莺蜏?zhǔn)確。由于沒有扭力和螺紋磨損，也可以提高螺柱壽命，螺栓再利用的風(fēng)險(xiǎn)就變得更小。此外，液壓拉伸器以均勻加載的方式同時(shí)在螺栓周圍施加載荷，這會(huì)使得墊片壓縮更均勻，彈性相互作用更少，從而降低了螺栓法蘭組裝過程中墊片損壞的可能性。

液壓拉伸十分依賴NLLF和BLLF這2個(gè)值的準(zhǔn)確估算或計(jì)算。如果未以合理的精度水平確定這些損耗因子的值，則該方法可能不如扭矩控制準(zhǔn)確。特別是在短螺栓(通常認(rèn)為螺栓長度與公稱直徑之比小于5)的情況下。

液壓拉伸的高效性還體現(xiàn)在緊固方式可以采用全部或部分螺栓同時(shí)拉伸緊固。圖1與圖2分別展示了以24路螺栓為例時(shí)，100%螺栓拉伸器覆蓋率與50%螺栓拉伸器覆蓋率時(shí)，法蘭螺栓裝配的操作步驟[23]。

圖1 100%螺栓拉伸器覆蓋率

圖2 50%螺栓拉伸器覆蓋率

100%螺栓拉伸器覆蓋率時(shí)，操作步驟如下：

步驟一：螺栓拉伸器按規(guī)定安裝好之后，所有螺栓同時(shí)承受70%的螺栓裝配載荷，并測(cè)量法蘭之間的間隙。

步驟二：所有螺栓同時(shí)承受105%～150%的螺栓裝配載荷(壓力倍增系數(shù)為1/NLLF)，并測(cè)量法蘭之間的間隙。

為了最大程度地減少松弛，最后在不測(cè)量法蘭間隙的條件下，將螺栓拉伸器的壓力從0加到滿載，并擰緊螺母。重復(fù)幾次，直到螺母不發(fā)生移動(dòng)時(shí)移除螺栓拉伸器。

50%螺栓拉伸器覆蓋率時(shí)，操作步驟如下：

步驟一：將所有螺栓間隔式分為2組，且對(duì)第一組施加70%的螺栓裝配載荷，并測(cè)量法蘭之間的間隙。

步驟二：在同一組螺栓上同時(shí)施加110%～200%的螺栓裝配載荷(壓力倍增系數(shù)為(1+BLLF)/NLLF)，并測(cè)量法蘭之間的間隙。為了最大程度地減少松弛，將螺栓拉伸器的壓力從0加到滿載，并擰緊螺母。重復(fù)幾次，直到螺母不發(fā)生移動(dòng)為止。

步驟三：在第二組螺栓上同時(shí)施加105%～150%的螺栓裝配載荷(壓力倍增系數(shù)為1/NLLF)，并測(cè)量法蘭之間的間隙。為了最大程度地減少松弛，最后在不測(cè)量法蘭間隙的條件下，將螺栓拉伸器的壓力從零加到滿載，并擰緊螺母。重復(fù)幾次，直到螺母不發(fā)生移動(dòng)時(shí)移除螺栓拉伸器。

步驟四：在第一組螺栓上至少安裝4個(gè)螺栓拉伸器，施加100%的螺栓裝配載荷，如果用手轉(zhuǎn)動(dòng)螺母，則應(yīng)將所有第一組螺栓都拉緊至裝配載荷的105%～150%(與步驟三中的值大小相同)，然后在螺栓的下一個(gè)位置重復(fù)此檢查，直到螺母的移動(dòng)量小于規(guī)定的極限。

以上裝配方法是以24路法蘭螺栓為例，具體的100%螺栓拉伸器覆蓋率與50%螺栓拉伸器覆蓋率時(shí)的螺栓拉伸器的使用方法需要參照指南中的詳細(xì)說明。

對(duì)于螺栓拉伸器覆蓋率小于50%的情況，其步驟與50%覆蓋率時(shí)的步驟相類似。只是會(huì)多出許多操作步驟與檢查步驟。但事實(shí)上，隨著使用的螺栓拉伸器數(shù)量的減少，該方法的精度大幅降低(由于額外的交互作用的發(fā)生)，實(shí)現(xiàn)相同精度所需的程序長度大幅增加，在這一點(diǎn)上，扭矩組裝可能會(huì)變得同樣準(zhǔn)確，通常實(shí)質(zhì)上更快。若仍然堅(jiān)持使用螺栓拉伸器，則可以通過合理地調(diào)高螺栓所承受的載荷(需滿足螺栓張緊器的載荷限制與螺栓法蘭接頭的屈服限制)，從而有效地減少操作的步數(shù)，并且獲得更精確的螺栓應(yīng)力[23]。

4 結(jié)語

螺栓法蘭連接在壓力容器以及管道中應(yīng)用十分廣泛，指南在切實(shí)保障螺栓法蘭連接安全性方面起到了關(guān)鍵作用。在2019版指南之中，正文部分雖然在主體上沒有太多變化，但是增加了多處注釋與腳注。這一系列變化幫助讀者更加準(zhǔn)確地理解指南所傳達(dá)的意思。新版指南的主要變化是附錄部分：刪除了附錄G《螺栓服務(wù)中承包商的使用》的內(nèi)容，基于工程經(jīng)驗(yàn)新增了附錄Q《動(dòng)力設(shè)備使用的注意事項(xiàng)》，體現(xiàn)了工程經(jīng)驗(yàn)方面的最新成果，提升了指南在工程應(yīng)用方面的嚴(yán)謹(jǐn)性和指導(dǎo)價(jià)值。

綜上所述，2019版指南經(jīng)過修訂與更新之后，變得更加完善、全面與具體，這給我國目前螺栓法蘭連接的工程安裝工作以很多參考與啟示。企盼我國早日推出這一方面相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，從而更好地規(guī)范我國壓力邊界內(nèi)螺栓法蘭的連接工作，以保證螺栓法蘭連接的安全性與可靠性。