閥體連接螺栓、螺母與螺孔設(shè)計(jì)中若干問題的探討
——兼對國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的解讀與質(zhì)疑
鄔佑靖
（2008-8）
摘要：本文從閥體連接螺栓、螺母與螺孔等強(qiáng)度設(shè)計(jì)的理念出發(fā)，對國內(nèi)外相關(guān)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行解讀，對若干標(biāo)準(zhǔn)提出質(zhì)疑。
一、 問題的提出
回顧二十世紀(jì)五、六十年代，中國的工業(yè)界普遍采用原蘇聯(lián)的TOCT標(biāo)準(zhǔn)，TOCT標(biāo)準(zhǔn)大都是基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，缺少專業(yè)化的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。因此，閥門的設(shè)計(jì)是依賴于設(shè)計(jì)手冊和教科書。八十年代以后，歐美標(biāo)準(zhǔn)全面替代了蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)的GB標(biāo)準(zhǔn)、JB標(biāo)準(zhǔn)大都從美標(biāo)轉(zhuǎn)化，而歐美標(biāo)準(zhǔn)很多是專業(yè)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，例如ANSI B16.34《法蘭、螺紋和焊接端閥門》就是設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，美國石油學(xué)會的API 6D《石油與天然氣工業(yè)——管線輸送系統(tǒng)——管線閥門》就是產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，更利于產(chǎn)品的統(tǒng)一和提高，同時(shí)又是國與國之間貿(mào)易的一種技術(shù)壁壘。
就閥門設(shè)計(jì)而言，五、六十年代工程師們按照手冊來進(jìn)行閥門產(chǎn)品設(shè)計(jì)。閥體的壁厚、法蘭、法蘭螺栓、螺母、閥桿等均需進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算。而今天閥門的計(jì)算就可大大簡化，壁厚只需查標(biāo)準(zhǔn)，螺栓設(shè)計(jì)可按簡化了的經(jīng)驗(yàn)公式。但在按照這些標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行簡化計(jì)算時(shí)，容易忽視應(yīng)用這標(biāo)準(zhǔn)和簡化公式的前提條件。標(biāo)準(zhǔn)不是教科書，它不做詳細(xì)的說明，標(biāo)準(zhǔn)的解釋又屬于標(biāo)準(zhǔn)的起草者而不是讀者。因此，在應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)對標(biāo)準(zhǔn)的解讀就十分重要。不準(zhǔn)確的解讀和理解會引起錯誤，甚至在國外標(biāo)準(zhǔn)等同地轉(zhuǎn)化為國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，亦會出現(xiàn)問題。
例如：GB/T12237-2007《石油、石化及相關(guān)工業(yè)用鋼制球閥》5.6“殼體的連接”一節(jié)中敘述：
“閥體與左閥體采用螺栓連接形式的，當(dāng)螺栓小于等于M27時(shí)，可以采用粗牙螺紋；當(dāng)螺栓大于M27時(shí)，應(yīng)當(dāng)采用牙距不超過3mm的螺紋，螺紋的尺寸和公差按GB/T196和GB/197的規(guī)定。”
在GB/T19672-2005《管線球閥》6.10“螺栓”一節(jié)中，亦有同樣的敘述：
“閥門殼體為螺栓連接時(shí)，（閥體與閥蓋之間，左閥體與右閥體之間等）應(yīng)當(dāng)采用高強(qiáng)度合金鋼的帶螺母的雙頭螺栓。螺紋直徑小于等于27mm螺紋，采用粗牙；螺紋直徑大于27mm的螺紋，采用螺距為3mm的螺紋。”
當(dāng)閥門的通徑很大時(shí)，我們可能會選用M90的螺栓，按照標(biāo)準(zhǔn)，我們選用M90 X 3，試看螺栓截面的拉伸強(qiáng)度和螺紋的剪切強(qiáng)度。
螺栓截面的拉伸強(qiáng)度為：
π/4 d2[σ] （1）
式中: d為螺紋內(nèi)徑, [σ]為材料的抗拉許用應(yīng)力。
螺紋的剪切強(qiáng)度為：
8πd x 0.75t x 0.65[σ] ?。?）
式中: 8πd為有效圈數(shù)為8圈時(shí)的螺紋展開長度； 0.75t為螺紋的根部厚度， t為螺距； 0.65[σ]為材料的剪切許用應(yīng)力。
按照等強(qiáng)度的設(shè)計(jì)理念，螺栓設(shè)計(jì)時(shí)，螺栓橫截面積的拉伸強(qiáng)度應(yīng)該小于或等于螺紋根部的剪切強(qiáng)度。令式（1）等于式（2），并把d近似看作為螺栓直徑，則可得出：
t ≌ d/16
就是當(dāng)螺紋的螺距t近似等于d/16時(shí)，螺栓截面與螺紋是等強(qiáng)度設(shè)計(jì)。當(dāng)t<d/16時(shí)，螺紋剪切強(qiáng)小于螺栓截面拉伸強(qiáng)度；當(dāng)t＞d/16時(shí)，螺紋剪切強(qiáng)度大于螺栓截面拉伸強(qiáng)度。
應(yīng)當(dāng)注意，螺栓的計(jì)算一般只校核螺栓的截面，這是因?yàn)閷τ诖盅缆菁y其螺紋剪切強(qiáng)度均大于螺栓的拉伸強(qiáng)度，但對于細(xì)牙，當(dāng)螺距t≦d/16時(shí)，就不能不校核螺紋的強(qiáng)度。螺紋的有效圈數(shù)只有8圈，細(xì)牙螺栓的設(shè)計(jì)當(dāng)承受大載荷時(shí)存在螺紋脫牙的危險(xiǎn)。
應(yīng)當(dāng)注意，當(dāng)某些標(biāo)準(zhǔn)對于閥體螺栓建議采用高強(qiáng)度螺栓材料時(shí)，不能忘記，閥體的材料是低碳鋼，閥體上螺孔是低碳鋼材料，高強(qiáng)度的螺栓擰在低強(qiáng)度的閥體螺孔中，閥體螺孔螺紋是設(shè)計(jì)中危險(xiǎn)截面，設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)校核閥體螺紋強(qiáng)度并采取措施。
在國內(nèi)法蘭標(biāo)準(zhǔn)中，JB標(biāo)準(zhǔn)的法蘭螺栓是標(biāo)準(zhǔn)螺栓，即粗牙螺紋。但在國標(biāo)美洲體系法蘭標(biāo)準(zhǔn)中出現(xiàn)M90x3的螺栓，歐洲體系法蘭直徑螺栓細(xì)牙螺紋其螺紋的剪切強(qiáng)度同樣小于螺栓截面的拉伸強(qiáng)度。ISO 17292-200《Metal ball valve for petroleum,petrochemical and allied industries petroleum》第5.2.14.2一節(jié)中同樣作了類似的敘述，也存在螺紋強(qiáng)度不足的問題：“公制螺栓M30和小于M30的采用粗牙螺紋，公制螺栓大于M30的采用螺距3mm的細(xì)牙螺紋，公制螺紋符合ISO 261，公差按照ISO 965-2 6g級。”
二、 問題的緣由與標(biāo)準(zhǔn)的解讀
國內(nèi)GB閥門標(biāo)準(zhǔn)和國際ISO閥門標(biāo)準(zhǔn)中存在的問題是由于不準(zhǔn)確的解讀美國石油協(xié)會API 608《Metal ball valve- flanged,threaded,andwelding ends,NEQ》，而產(chǎn)生的，API 608節(jié)4.10“閥門殼體連接和螺栓”中，4.10.2是這樣描述的：
“殼體組裝用的螺栓，必須帶螺釘頭螺栓或者雙頭螺栓，螺母必須是半精制六角螺母符合ASME B18.2.2，螺栓的螺紋符合ASME B1。少于和等于一英寸螺栓（2.54厘米），用粗牙UNC螺紋，螺栓大于1英寸（2.54厘米）用一英寸8牙系列（8UN）….”
顯然，在這里GB標(biāo)準(zhǔn)和ISO標(biāo)準(zhǔn)把1英寸的美制螺紋讀作公制螺紋M27和M30，把8UN系列讀作為細(xì)牙，螺距為3mm。
什么是8UN系列螺紋？我們查閱美標(biāo)ASME B.1.1《統(tǒng)一英值螺紋》，第3.6（a）：
“8UN-8牙系列，是用于大直徑或介于粗牙和細(xì)牙系列之間的不變螺距系列。雖然該系列最初用于高壓連接的螺栓和螺母，但現(xiàn)在已廣泛的用來代替直徑大于1英寸的粗牙螺紋系列。”
顯然，我們不能把8UN系列解讀為細(xì)牙，事實(shí)上，它是替代粗牙的一個(gè)系列，因?yàn)樘娲舜盅老盗?，所以在API 608中，螺栓大于1英寸（25.4 mm）的用一英寸8牙系列（8UN）。不能把8UN系列一英寸（25.4mm）螺栓讀作公制螺栓M27和M30；8UN系列一英寸8牙解讀為公制螺栓螺距為3mm（25.4/8）。8UN系列的螺紋是要滿足ASME B1.1的螺紋的牙型，它不同于公制螺紋的標(biāo)準(zhǔn)牙型。試看B16.34對該標(biāo)準(zhǔn)螺栓連接有關(guān)螺紋的解釋：
解釋：I-20
主題：6.4；
螺栓連接
發(fā)布日期：1983年6月3日
文件號：B16-83-003
問：可否采用不同于ANSI B1.1（ASME B1.1）牙型的螺栓連接來連接標(biāo)記符合ANSI B16.34要求的閥門的閥門法蘭。
答：不可。B16.34的6.4規(guī)定只可用ANSI B1.1牙型的螺栓連接。
解釋：I-35
主題：6.4；
螺栓連接
發(fā)布日期：1985年2月27日
文件號：B16-84-014
問：按ANSI B16.34的要求，當(dāng)米制閥門螺栓連接滿足相應(yīng)ASME技術(shù)條件的化學(xué)成分和機(jī)械性能的要求。并滿足ANSI B1.1牙型的強(qiáng)度要求時(shí)，這樣的米制閥門法蘭螺栓連接允許使用嗎？
答：不允許。ANSI B16.34第5章要求應(yīng)用的ASTM材料。6.4要求螺栓連接按照ANSI B1.1加工的螺紋。
ANSI B16.34的解釋是不允許，不能用公制螺紋的螺栓去機(jī)械地等同美制螺紋（ANSI B1.1）的螺栓。
我們再進(jìn)一步查看，API608關(guān)于連接螺栓的規(guī)定，其來源和依據(jù)是ASME B16.5的法蘭標(biāo)準(zhǔn)，其中第6.10.1法蘭螺栓尺寸，標(biāo)準(zhǔn)中敘述如下：
“兩端帶螺紋或全螺紋雙頭螺絲或螺栓可用作法蘭螺栓。螺栓、雙頭螺栓和螺母的推薦尺寸見表1C”。
Table 1C 推薦的法蘭連接螺栓
| 碳鋼 | 合金鋼 | |
| 螺栓 | 螺紋滿足ASNE B1.1, 2A級粗牙螺紋 | 1英寸以下的螺栓，螺紋滿足ASNE B1.1, 2A級粗牙螺紋。大于1英寸的螺栓采用8牙/1英寸系列（8UN系列） |
| 螺母 | 螺紋滿足ASNE B1.1, 2B級粗牙螺紋 | 1英寸以下的螺栓，螺紋滿足ASNE B1.1, 2B級粗牙螺紋。大于1英寸的螺栓采用8牙/1英寸系列（8UN系列） |
由此可見，
（1）8牙/1英寸系列就是美制8UN系列，是替代大直徑螺栓粗牙螺紋的一個(gè)系列。不允許讀作公制螺栓＞M27螺距為3mm。ASME B16.5 沒有對公制螺紋作出規(guī)定。
（2）對于碳鋼材料的螺栓和螺母 ，按ASME B16.5推薦，采用粗牙系列；
（3）ASME B1.1美制螺紋牙型不同于公制螺紋牙型，不能等同。因此，不能把 “螺紋大于1英寸的采用8牙/1英寸系列。” 解讀為“螺紋直徑大于27mm的螺栓，采用螺距為3mm的公制螺紋。”
三、 閥門殼體連接螺栓，螺紋和螺孔的設(shè)計(jì)與計(jì)算
按照ANSI B16.34-2004閥門殼體連接螺栓的計(jì)算公式；當(dāng)英制螺紋滿足ASME B1.1，許用應(yīng)力采用Psi單位時(shí)：
Pn x Ag / Ab = 0.35 ［σ］＜ 7000 Psi （3）
當(dāng)公制螺紋滿足ASME B1.13，許用應(yīng)力采用Mpa單位時(shí)：
Pn x Ag / Ab = 0.35 ［σ］＜ 49 Mpa （4）
式中：Pn 額定壓力值，Ag 閥體由墊片O型圈密封限定的有效面積 ，Ab螺栓總的有效拉伸截面積 ，[σ]為螺栓材料的抗拉許用應(yīng)力。
這是一個(gè)充分簡化的經(jīng)驗(yàn)公式。這里有二個(gè)問題要引起注意，第一，為什么許用應(yīng)力［σ］要乘以0.35，按照ANSI B16.34的解釋，這一經(jīng)驗(yàn)公式是來自ANSI B16.5的法蘭標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)有幾十年的使用的經(jīng)驗(yàn)。第二為什么許用應(yīng)力［σ］乘以0.35后還要限止＜7000Psi，或者＜49Mpa。按照ANSI B16.34的解釋，這是因?yàn)橥扑]的螺栓，螺母材料中有許用應(yīng)力［σ］= 2000Psi(138Mpa)的材料.也就是無論你選擇何種高強(qiáng)度材料，螺栓計(jì)算時(shí)，材料的許用應(yīng)力仍按［σ］= 2000Psi(138Mpa)考慮?？梢姡@是一個(gè)充分簡化的又十分保守的經(jīng)驗(yàn)公式。
ANSI B16.34 提供的經(jīng)驗(yàn)公式只計(jì)算螺栓總的有效拉伸截面積，不考慮螺栓，螺母的螺紋剪切強(qiáng)度。因此，工程師必須確認(rèn)你設(shè)計(jì)的螺栓它的螺紋剪切強(qiáng)度大于螺栓有效截面積的拉伸強(qiáng)度。應(yīng)該指出，粗牙螺紋的剪切強(qiáng)度大于螺栓有效截面積的拉伸強(qiáng)度。因此，也可以認(rèn)為，ANSI B16.34提供的公式是指粗牙螺紋的螺栓。再依據(jù)是ANSI B16.5的法蘭標(biāo)準(zhǔn)中第6.10.1中表1C關(guān)于“螺栓、雙頭螺栓和螺母的推薦”，對于碳鋼閥體材料如A105，LF2，WCB，WCC等推薦采用粗牙螺紋ASMEB1.1。
四、 結(jié)論與存疑
ANSL B16.34中關(guān)于閥體連接螺栓的計(jì)算，以及API 608中關(guān)于閥門殼體連接螺栓的推薦，均來源于ASME B16.5的法蘭標(biāo)準(zhǔn)，表IC。
ASME B16.5法蘭標(biāo)準(zhǔn)表IC中明確規(guī)定對于碳鋼材料的螺栓螺母選用美制ASME B1.1螺紋標(biāo)準(zhǔn)的，均建議選用粗牙。只有選用合金鋼螺栓時(shí)，如果選用美制ASME B1.1螺紋，對于1英寸以下的建議用粗牙，對于1英寸以上的建議采用8UN系列，即1英寸8牙系列。
API 608對螺栓的推薦，忽視一個(gè)問題，就是大部閥體材料是碳鋼，閥體上的螺孔應(yīng)視為螺母。似無必要規(guī)定螺栓螺紋的粗細(xì)。
ANSI B16.34-2004版中增加公制螺紋的計(jì)算，但ASME B16法蘭標(biāo)準(zhǔn)表IC沒有提到公制螺紋，API 608也沒有提到公制螺紋。而B16.34的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，只計(jì)算螺栓截面拉伸強(qiáng)度，不計(jì)算螺紋的剪切強(qiáng)度，這是因?yàn)榧僭O(shè)設(shè)計(jì)的螺栓其螺紋強(qiáng)度大于螺紋強(qiáng)度。
按ANSI B16.34的解答。不允許公制螺紋去替代美制螺紋，就是不能把1英寸8牙理解為公制螺紋螺距是3毫米。對此作出明確的否定回答。
對于合金鋼螺栓關(guān)于8UN系列的推薦，是因?yàn)?UN系列已替代了粗牙系列。至于8UN系列是否可以用于美制大直徑螺栓（如4”螺栓），是否存在螺紋強(qiáng)度的不足，這是美制螺紋基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)的問題，因由ASME B1.1來作出解釋，本文姑且存疑。
國內(nèi)閥門標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)螺栓的問題，筆者認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)沒有必要對螺栓的螺距做出規(guī)定， 應(yīng)由制造廠在保證螺紋強(qiáng)度，螺栓強(qiáng)度的條件下，自行決定。
參考資料：
〔1〕西北工業(yè)大學(xué)機(jī)械另件教研室：機(jī)械另件，1982。
〔2〕ASME B16.5《管道法蘭與法蘭聯(lián)接管件》
〔3〕ASME B1.1《統(tǒng)一英制螺紋》
〔4〕ANSI B16.34《法蘭、螺紋和焊接端閥門》
鄔佑靖：1960年西安交通大學(xué)動力機(jī)械系畢業(yè)，高級工程師，長期從事管線球閥的設(shè)計(jì)、制造工作。現(xiàn)為上海耐萊斯·詹姆斯伯雷閥門有限公司總工程師。
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