之前一篇文章，领导问，这个法兰要热紧吗？不妨有底气地回答，无妨，漏了再说！聊了法兰热紧与冷紧的问题。其中，标准 SH/T 3501-2021《石油化工有毒、可燃介质钢制管道工程施工及验收规范》中提到：
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安装阶段采用力矩扳手紧固至规定力矩值时，当无泄漏时，可不再进行螺栓热态或冷态紧固。
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很多朋友问，那「规定的力矩」到底是多少？又怎么计算？先设计一个计算例子：
◦ 法兰：HG/T 20592，DN250 PN63 凸面法兰
◦ 垫片：金属石墨缠绕垫
◦ 螺栓：12 颗 M33，材质 35CrMo 高强螺栓
◦ 表面：螺栓表面光洁，涂抹润滑剂
下面，我们来细聊一下法兰螺栓拧紧力矩的计算与选择。
很多标准里都有这个公式，比如 GB/T 20801.4，ASME 相关标准中也有相同的计算公式。
M = K·D·F 各标准通用形式
这里有几个重要说明。
一是 K 值的选择
ASME PCC-1 附录 K 描述：
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“K”螺母系数是一个经试验确定的无量纲常数，与摩擦系数有关。在环境温度下，大多数应用中的 K 值通常被认为约等于摩擦系数加 0.04。
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无涂层螺栓大致可取 0.2；有涂层、光洁度好的螺栓，这个系数可取 0.17；涂抹良好润滑剂的情况下，可取 0.15。不同摩擦表面状况，参考下表：
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这张表的波动不小。0.15 和 0.24，相差就达 60%，后文还会叠加一个螺栓屈服极限的比例选择（40%~70%），偏差叠加起来会更大。这也从另一方面反映出来，一般的法兰螺栓力矩问题，其实没有那么要求精密。
二是 D 取名义直径
比如 M33，D 就取 33 来算。注意公式里 D 的单位是米，所以 33 mm 要除以 1000，按 0.033 m代入。
三是 F
这个 F 是不确定的，后文重点讲的，主要就是这个 F 的确定问题。
F 怎么定？我从三个方面讲：
1. 按螺栓屈服强度计算，心里能有个底；
2. 查不同法兰规格的螺栓载荷表，别人算好了；
3. 最详细的校核，考虑不同垫片、不同接触情况的载荷计算。
💡 个人认为，掌握一和二，工程现场速算就够用了。三属于详细的设计计算校核，一般是比较重要的场合，可以交给设计人员，现场直接按设计给的值查表即可。
继续聊 F 值的计算。按 GB/T 43079.1《钢制管法兰、垫片及紧固件选用》表 7，紧固件强度选择配置恰当、该低强度的低强度、该高强度的高强度时，推荐用螺栓的屈服强度（GB/T 38343 表 1）查表计算：
💡 ASME PCC-1 中推荐，螺栓最大安装应力为屈服强度的 40%~70%，螺栓最小安装应力取屈服强度的 20%~40%。
所以，根据螺栓的屈服强度计算螺栓载荷时，最小载荷按屈服极限的 40%，最大载荷按屈服极限的 70%来试算。螺栓载荷计算公式就是：
按设计例子算。M33 螺栓材质 35CrMo，屈服强度 685 MPa，即 685×10⁶ Pa；M33 小径 29.211 mm，按小径计算的截面积为 π(29.211÷2÷1000)²。
搞懂第一种算法是很有必要的。因为这就知道我的摩擦系数选的是多少，屈服强度的比例选的是多少，根据实际工况，还能不能往上加。有了这两个数，紧固的时候心里就有底了。
比如配套是非金属垫，屈服强度的比例可以选低一点，比如 40%；比如配套的是金属环垫，可以选高一些，比如 70%。
第二种算法，螺栓载荷 F 可以直接查表，甚至有些通用情况直接给出了力矩表。
💡 但有一点非常重要：要知道该表格的适用范围。这些表格，足以应对 PN160 以内绝大多数缠绕垫片、齿形垫片的情况。
这些表格不光是 GB/T 20801.4-2020《压力管道规范 工业管道 第4部分 制作与安装》的表 B.1，还可以参考 GB/T 38343-2019《法兰接头安装技术规定》中的螺栓载荷表格。
GB/T 20801.4 的表 B.1 给定螺栓安装应力为 350 MPa。这个 350 MPa 有来头，这是高强度螺栓的目标安装应力。越大越薄的法兰，越不要超过这个值，避免法兰变形。中强度螺栓安装目标应力取 280 MPa。
上表中，M33 螺栓安装载荷目标：F = 232785 N。
更细致的表格，可以参照 GB/T 38343-2019《法兰接头安装技术规定》表 B。针对不同规格的法兰，螺栓载荷已经直接算好了。
看单个螺栓最大安装载荷。同样，代入 M = K × D × F：
GB/T 38343-2019《法兰接头安装技术规定》表 E，直接给出了螺栓安装应力 350 MPa 下螺栓的推荐力矩。
该表格中，M33×3 螺栓，螺栓安装应力为 350 MPa 时，推荐单个螺栓安装扭矩为 1254 N·m。
上面两种算法，用于工程现场的一般法兰螺栓紧固，结合重要场合下厂家本身给的设计扭矩表，其实已经够用了。
第三种，是螺栓载荷 F 更准确的算法，主要用于设计校核，现场工程核算用起来比较麻烦。设计校核主要用到两个标准：
◦ ASME BPVC VIII-1 附录 2：这个附录的计算，是为了保证刚好密封时，最少需要多大的螺栓载荷；
◦ ASME PCC-1 附录 O：这个附录的计算，是校核实际螺栓预紧力，是否能把垫片压紧到合适的应力范围。
两个附录需要结合起来，同时还需要加入厂家的垫片数据进行计算。
这部分，后面可以单独做一期研究。谢谢关注！
Reference
1. SH/T 3501-2021《石油化工有毒、可燃介质钢制管道工程施工及验收规范》
2. GB/T 20801.4-2020《压力管道规范 工业管道 第4部分：制作与安装》
3. GB/T 43079.1《钢制管法兰、垫片及紧固件选用》；GB/T 38343-2019《法兰接头安装技术规定》
4. ASME PCC-1（附录 K、附录 O）；ASME BPVC VIII-1 附录 2
END
