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阀体连接螺栓、螺母与螺孔设计中若干问题的探讨

来源:dqvalve.com 编辑:Admin

阀体连接螺栓、螺母与螺孔设计中若干问题的探讨
——兼对国内外相关标准的解读与质疑
邬佑靖
(2008-8)

摘要:本文从阀体连接螺栓、螺母与螺孔等强度设计的理念出发,对国内外相关的设计标准进行解读,对若干标准提出质疑。

一、 问题的提出

  回顾二十世纪五、六十年代,中国的工业界普遍采用原苏联的TOCT标准,TOCT标准大都是基础标准,缺少专业化的设计标准和产品标准。因此,阀门的设计是依赖于设计手册和教科书。八十年代以后,欧美标准全面替代了苏联标准,国内的GB标准、JB标准大都从美标转化,而欧美标准很多是专业的产品标准和设计标准,例如ANSI B16.34《法兰、螺纹和焊接端阀门》就是设计标准,美国石油学会的API 6D《石油与天然气工业——管线输送系统——管线阀门》就是产品标准。这些标准规范了产品的设计,更利于产品的统一和提高,同时又是国与国之间贸易的一种技术壁垒。

  就阀门设计而言,五、六十年代工程师们按照手册来进行阀门产品设计。阀体的壁厚、法兰、法兰螺栓、螺母、阀杆等均需进行复杂的计算。而今天阀门的计算就可大大简化,壁厚只需查标准,螺栓设计可按简化了的经验公式。但在按照这些标准进行简化计算时,容易忽视应用这标准和简化公式的前提条件。标准不是教科书,它不做详细的说明,标准的解释又属于标准的起草者而不是读者。因此,在应用标准时对标准的解读就十分重要。不准确的解读和理解会引起错误,甚至在国外标准等同地转化为国内标准时,亦会出现问题。

  例如:GB/T12237-2007《石油、石化及相关工业用钢制球阀》5.6“壳体的连接”一节中叙述:

  “阀体与左阀体采用螺栓连接形式的,当螺栓小于等于M27时,可以采用粗牙螺纹;当螺栓大于M27时,应当采用牙距不超过3mm的螺纹,螺纹的尺寸和公差按GB/T196和GB/197的规定。”

  在GB/T19672-2005《管线球阀》6.10“螺栓”一节中,亦有同样的叙述:

  “阀门壳体为螺栓连接时,(阀体与阀盖之间,左阀体与右阀体之间等)应当采用高强度合金钢的带螺母的双头螺栓。螺纹直径小于等于27mm螺纹,采用粗牙;螺纹直径大于27mm的螺纹,采用螺距为3mm的螺纹。”  

  当阀门的通径很大时,我们可能会选用M90的螺栓,按照标准,我们选用M90 X 3,试看螺栓截面的拉伸强度和螺纹的剪切强度。

   螺栓截面的拉伸强度为:

  π/4 d2[σ] (1)

  式中: d为螺纹内径, [σ]为材料的抗拉许用应力。

  螺纹的剪切强度为:

  8πd x 0.75t x 0.65[σ]  (2)

  式中: 8πd为有效圈数为8圈时的螺纹展开长度; 0.75t为螺纹的根部厚度, t为螺距; 0.65[σ]为材料的剪切许用应力。

  按照等强度的设计理念,螺栓设计时,螺栓横截面积的拉伸强度应该小于或等于螺纹根部的剪切强度。令式(1)等于式(2),并把d近似看作为螺栓直径,则可得出:

  t ≌ d/16

  就是当螺纹的螺距t近似等于d/16时,螺栓截面与螺纹是等强度设计。当t
  应当注意,螺栓的计算一般只校核螺栓的截面,这是因为对于粗牙螺纹其螺纹剪切强度均大于螺栓的拉伸强度,但对于细牙,当螺距t≦d/16时,就不能不校核螺纹的强度。螺纹的有效圈数只有8圈,细牙螺栓的设计当承受大载荷时存在螺纹脱牙的危险。

  应当注意,当某些标准对于阀体螺栓建议采用高强度螺栓材料时,不能忘记,阀体的材料是低碳钢,阀体上螺孔是低碳钢材料,高强度的螺栓拧在低强度的阀体螺孔中,阀体螺孔螺纹是设计中危险截面,设计中应当校核阀体螺纹强度并采取措施。

  在国内法兰标准中,JB标准的法兰螺栓是标准螺栓,即粗牙螺纹。但在国标美洲体系法兰标准中出现M90x3的螺栓,欧洲体系法兰直径螺栓细牙螺纹其螺纹的剪切强度同样小于螺栓截面的拉伸强度。ISO 17292-200《Metal ball valve for petroleum,petrochemical and allied industries petroleum》第5.2.14.2一节中同样作了类似的叙述,也存在螺纹强度不足的问题:

  “公制螺栓M30和小于M30的采用粗牙螺纹,公制螺栓大于M30的采用螺距3mm的细牙螺纹,公制螺纹符合ISO 261,公差按照ISO 965-2 6g级。”

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08 08年

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