現(xiàn)在很多項目需要計算螺栓扭矩。法蘭的計算一般是按照Water法校核強度和剛度，那么螺栓的扭矩應(yīng)該是多少呢？

螺栓扭矩的計算公式一般有兩種，一類根據(jù)螺紋來計算螺栓扭矩值，ASME PCC-1的附錄J：

另一種是根據(jù)螺母系數(shù)k來計算扭矩：

T=kWd/n

其中

k：螺栓螺母和螺母法蘭面之間的總摩擦系數(shù)，有潤滑的取0.075-0.15，無潤滑的取0.15-0.25（不同參考資料取法略有不同）

W: 螺栓預(yù)緊載荷

d：螺栓直徑（一般用根徑）

n:螺栓數(shù)量

兩種公式都需要計算螺栓載荷，常用的是螺母系數(shù)法。

公式中一般只有螺栓載荷W是未知的，W的取值準確與否，決定了螺栓扭矩的計算結(jié)果是否可信。

那么螺栓載荷W應(yīng)該如何計算呢？

按《法蘭接頭安裝技術(shù)規(guī)定》

在《法蘭接頭安裝技術(shù)規(guī)定》的報批稿中，對于法蘭螺栓的最小安裝載荷和最大安裝載荷有比較詳細的規(guī)定。

其中4.4.5條規(guī)定了最小螺栓安裝應(yīng)力，其公式經(jīng)過分析，等價于GB150.3公式 7-6的最小螺栓載荷Wp除以Rj

Rj為螺栓安裝載荷的松弛系數(shù)，大于或等于0.7。

對于最大螺栓安裝載荷對于高強度螺栓，安裝目標應(yīng)力為350MPa。對于一般的法蘭螺栓來說，是超過其螺栓許用應(yīng)力的。比如35CrMoA在常溫下的螺栓許用應(yīng)力為228MPa。

這樣一來出現(xiàn)一個問題：

一般的低壓的法蘭計算時，預(yù)緊工況的螺栓設(shè)計載荷W決定了Mo。

也就是說，如果按照最大螺栓安裝載荷來計算法蘭，那么法蘭的強度很大概率是不夠的。

為此規(guī)范也提供了一個解決方案，如下圖。

規(guī)范允許減少最大螺栓安裝載荷，使得法蘭強度剛度合格。

此值就是GB150.3的公式7-,9，預(yù)緊狀態(tài)下的螺栓設(shè)計載荷W。

對于設(shè)備法蘭來說，可以根據(jù)計算書得到預(yù)緊狀態(tài)下的螺栓設(shè)計載荷W。對于管法蘭來說，由于不會單獨計算，所以也無從得知螺栓設(shè)計載荷。所以規(guī)范根據(jù)壓力等級給出了每種法蘭的最大最小螺栓安裝載荷表。

如果采用《法蘭接頭安裝技術(shù)規(guī)定》最大螺栓載荷來校核管法蘭的強度，對于非金屬墊片基本上用Waters法是計算通不過的。這也是法蘭計算的一個矛盾，按照Waters法計算通不過的法蘭，不一定強度剛度存在問題。Waters法只是法蘭計算的一個方法，并不代表標準管法蘭或者NB的設(shè)備也需要符合Waters的計算。

另外要注意的是，規(guī)范給出來非金屬墊片的壓潰應(yīng)力Qmax參考值，一般的墊片（3mm）應(yīng)當使墊片的壓緊力不大于100MPa。

對于金屬墊片的壓潰應(yīng)力Qmax可以按照EN13555實際測定。一些廠家的墊片手冊上也有墊片實驗數(shù)據(jù)供參考。

關(guān)于墊片壓潰一例--低等級法蘭計算合格能用嗎

按照這個規(guī)范，計算Qmax時，RJ面的墊片采用的是墊片和法蘭接觸的投影面積，比墊片橫截面積還要小。所以非標準的RJ墊片還是要考慮一下墊片的壓潰問題。

按《ASME PCC-1》求ASME B16.5法蘭的螺栓扭矩

在ASME PCC-1 《Guidelines for pressure boundary bolted flange joint assembly》的附錄O中給出了螺栓扭矩的計算。

最大載荷值的計算需要考慮最大螺栓力，最小螺栓力，法蘭應(yīng)力，墊片應(yīng)力。

法蘭應(yīng)力不是按照ASME VIII I附錄2的法蘭計算，而是根據(jù)WRC 528采用線彈性非線性有限元法得到的一系列的值來核算法蘭。

表O-8中，給出了各個壓力等級的SA-105材料的WN法蘭，在SA-193 B7螺栓纏繞墊下的螺栓應(yīng)力。

其顏色代表了各種法蘭的螺栓力是由什么類型的應(yīng)力限制的。

規(guī)范中給出了一個計算案例，參照計算即可。

標準僅提供了標準管法蘭的螺栓扭矩，對于設(shè)備法蘭的螺栓扭矩并未涉及。

計算書的編制

對于設(shè)備法蘭來說，其螺栓力W可以在計算書中直接找到

對于管法蘭來說，可以根據(jù)合適的標準規(guī)范，按照標準值選用，也可以根據(jù)GB150.3編制計算表格來計算。

在某些工程公司的規(guī)定中，對于大直徑螺柱需要采用液壓上緊，上緊力最大最小為多少規(guī)范并未規(guī)定。按照工程實際一般按照如下規(guī)定取值：

最大螺栓預(yù)緊力Fmax為GB150的W和0.8倍螺栓常溫許用應(yīng)力的小值。

最小螺栓預(yù)緊力為Wp和Wa中的大值。

按《Pressure Vessel Design Manuel》

在Pressure Vessel Design Manuel一書中，對預(yù)緊法蘭的螺栓扭矩有比較詳細的算法。

按照這個算法，其預(yù)緊力大致等于預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小墊片壓緊力，即GB150.3公式7-1，F(xiàn)a=3.14Dgby。

對于計算的原理，它表述如下：

有計算原理可以知道，計算值為操作時剛好能夠墊片壓緊且克服內(nèi)壓的分離力的螺栓載荷。此值計算出來可以作為最小的預(yù)緊載荷。

由于各種溫度下的墊片彈性模量數(shù)據(jù)比較少，這種方法較少使用。

《The stress analysis of pressure vessel》

吉爾寫的《壓力容器應(yīng)力分析》一書中，認為法蘭螺栓墊片系統(tǒng)的螺栓力隨壓力載荷而變化。螺栓墊片和法蘭是靜不定系統(tǒng)，預(yù)緊時螺栓力在G0B0，升壓后螺栓力沿著G0B0-P’線變化，一般是升壓后螺栓力增加，但當法蘭剛性差時升壓反而使螺栓力降低。螺栓力＝壓力載荷＋墊片反力。

這圖里一個關(guān)鍵詞是“法蘭分離量”，分離量越大墊片反力越小。分離量是螺栓長度變化量和法蘭環(huán)偏轉(zhuǎn)量之和，當偏轉(zhuǎn)量大時，螺栓可能反而松弛。

這張圖就是偏轉(zhuǎn)量大，螺栓力下滑。法蘭剛性好時，P’點是往上的。

注：本段有吳大聲高工闡述。