承压设备用螺纹副旋合长度确定方法探讨

徐树林, 牟力波, 刘艳鹏 ,焦刚毅

(1. 哈电集团 中央研究院；2. 哈尔滨电机厂有限责任公司,黑龙江 哈尔滨 150028)

0 概 述

承压设备中，螺纹副连接如下面图1～图6，现在需要明确螺柱与螺母连接的承载能力多大，满足设计所需轴向压紧力所需要旋合的长度是多少？螺柱与种植部位连接的承载能力值，以及旋合长度应该设计成多少合适？

1 螺纹副受力分析

见图1，螺纹副力N假设作用在连接副的中径圆旋合线上，该作用力分解成沿螺柱的轴向力F和径向力G。轴向力F 是连接副有用的力，G是没有作用的内力。F力对于螺柱，有2个指标制约，1是螺柱的最小直径处，不管是螺杆还是螺纹处其直径最小处会限制F 的大小；2是螺柱的剪切力，它的抗剪切的力会制约这个F值的大小。对于螺母及种植螺纹的内螺纹区域，其旋合区的抗轴向剪切力也会限制F值的大小。P-螺距。

图1 螺纹副受力分析示意图[2]

2 连接副仅需要螺柱轴向拉力F时合理确定螺柱直径及旋合长度

2.1 如果螺母上紧用扳手则螺柱的最小直径处的轴向拉应力值如下：

(1)

有(1)式可推出螺柱需要的最小直径：

(2)

F——螺栓轴向应力值；

σ——螺柱最小直径处的轴向拉应力值；

[σ]——螺柱材料在设计温度下的许用应力值；

d1——螺柱根径或者是最细光杆的最小直径值。

式(1)中的系数1.3是克服扳手扭矩所需要的螺柱直径的裕量值，占30%；(2)式计算所得到的直径是最小值，设计要适当考虑5%以上的安全裕量。

2.2 如果螺母上紧用液压拉伸器则螺柱的最小直径处的轴向拉应力值如下：

(3)

相应的所需要的螺柱最小直径值如下：

(4)

式(3)中的系数1.1是克服液压拉伸器载荷所需要的螺柱直径的裕量系数值，占10%；(4)式计算所得到的直径是最小值，设计要适当考虑5%以上的安全裕量。

2.3 计算螺柱需要的旋合长度值

依据参考资料[2]可以获得内、外螺纹的旋合长度值。

螺柱螺纹抗剪应力面积[3]：

Asa=π(1/P)(LEb)(D1max)·

(5)

Asa——外螺纹的最小螺纹剪应力面积；

P——螺距；

LEb——螺柱的旋合长度；

D1max——内螺纹最大小径；

D2min——外螺纹最小中径。

螺纹的抗剪强度是0.5[σ][3]，依据此限制有下式成立：

F=Asa·0.5[σ]

(6)

(5)和(6)联立得外螺纹螺柱需要有效的旋合长度：

(7)

上面公式(7)表达了满足连接副螺柱所需要的轴向拉伸力所需要的有效旋合长度的最小值。

螺母或者种植体内螺纹抗剪应力面积[3]：

Asn=π(1/P)(LEN)(dmax)·

(8)

Asn——内螺纹的最小螺纹剪应力面积；

LEN——螺母的旋合长度;

LEH——种植体的旋合长度;

dmin——外螺纹最小大径；

D2max——外螺纹最小大径；

(6)和(8)联立得内螺纹螺母或者种植连接的内螺纹需要的有效旋合长度：

(9)

上面公式(9)表达了满足连接副所需要的轴向拉伸力螺母或者种植连接的内螺纹所需要的有效旋合长度的最小值。

螺纹连接副需要的旋合长度是组成连接副的内外螺纹所需旋合长度的大者，最终这旋合长度与螺纹连接副的连接结构有关系。

2.4 实际选择的旋合长度的确定

旋合长度值，要依据具体结构而定。分下面的(a)、(b)、(c)3种情况。

(a)螺柱和螺母的连接

图2 螺纹副连接中螺柱与螺母的连接结构示意图

上面连接中螺柱的轴向力是已知的，螺柱直径也是依据所需要的轴向压紧力计算并采用的。

其旋合长度要依据螺柱及螺母的大者确定，螺母的有效旋合长度是螺母厚度值减去螺母两端面的倒角量2h=2x1.1x3/8P(单侧的倒角一般是半个螺纹齿，即是3/8P见图1,注：1.1是本案给出的裕量值)，再减去螺母两侧1.0P(P-螺距)的无效螺牙量，单侧考虑0.5P,还有与上紧方式相对应的裕量系数，并考虑适当的安全裕量。

(b)种植螺柱与种植内螺纹的连接，且两被连接面被螺柱压紧，如下面图3的连接，种植内螺纹被

图3 螺纹副连接结构示意图

连接件的下表面压紧，这种情况下从连接面起始的2.0 P(P-螺距)，这部分视为薄弱连接区域，出于保守的思想视为无效旋合长度，再考虑上紧方式相对应的裕量系数的量，并考虑适当的安全裕量。

(c)种植螺柱与种植内螺纹的连接，且两被连接面没有被螺柱压紧，分开一定的间距。

设置成图4的连接，种植内螺纹没有被连接件的下表面压紧，而是离开一定的距离b，这种情况下，从种植体表面起始在4.0 P(P-螺距)的区域视为无效连接区域，再考虑一定的安全裕量。

图4 螺纹副连接结构示意图

如果设置成下面图5的结构，未攻丝的深度L不大于4.0 P，从种植体表面起4.0 P视为无效区域；如果未攻丝的深度大于4.0 P，其旋合长度不需考虑加4.0 P，但需要考虑种植体表面单侧的倒角深度值，以及无效的0.5 P螺牙的量,其它仍同上。

图5 螺纹副连接结构示意图

3 举例说明

图6 法兰用螺纹副连接结构示意图

3.1 校核螺柱根经尺寸

螺柱必须是满足轴向拉伸应力的基础上来研究旋合长度的，此螺柱螺母上紧采用液压拉伸器，其螺柱根径按下式校核：

(10)

F——螺柱轴向拉力。

依据图6，选用M64X3螺柱的光杆最细根径是58 mm,依据上面公式(10)的计算，螺柱满足强度校核。

3.2 螺柱螺母连接副旋合长度计算及确定选用尺寸

需要的螺柱最小旋合长度：

=30.9 mm

(11)

D1max=60.782 mm;

d2min=62.017 mm;

F=480990 N；

P=3 mm。

需要的螺母最小旋合长度：

=40.7 mm

(12)

dmin=63.315 mm;

D2max=62.081 mm;

F=480990 N;

P=3 mm。

螺柱螺母连接的螺纹副结构尺寸的确定依据(11)和(12)式，螺柱螺母连接的旋合长度应不小于下面(13)式的计算值。

LE=1.1×max{LEb,LEN}

=1.1×40.7=44.8 mm

(13)

注：上式中的1.1是克服液压拉伸器载荷所需要的螺柱直径的裕量系数值。

参考液压拉伸器用高压设备用螺柱的标准给出螺母的厚度值是76 mm。有效旋合长度为：

LE=76-2x0.5P-2x1.1X3/8P

=76-2x0.5x3-2x1.1x3/8x3=70.5 mm

(14)

70.5>44.8安全。

3.3 螺柱与种植体连接副旋合长度计算及确定选用尺寸

需要的种植体螺纹旋合长度：

=41.7 mm

(15)

dmin=63.315 mm;

D2max=62.081 mm;

F=480990 N;

P=3mm。

螺柱与种植体连接的螺纹副结构尺寸的确定依据(11)和(15)式，螺柱与种植体连接需要的旋合长度应不小于下面(16)式的计算值。

LE=1.1×max{LEb,LEN}

=1.1×41.7=45.9 mm

(16)

注：上式中的1.1是克服液压拉伸器载荷所需要的螺柱直径的裕量系数值。

图6给出的螺柱与种植体连接的旋合深度为105.7 mm(种植螺纹的倒角深度2.8 mm),有效旋合长度为：

LE=105.7-2X0.5P-4.0P=105.7-2X0.5x3-4.0X3=90.7 mm

(17)

90.7>45.9安全。

4 承压设备中选择种植体材料的建议

种植体材料应和螺柱材料有适当的匹配，它们两者材料的强度级别相差不能太多，多少比较合适呢？

看本案3的实例计算结果，一般的螺柱与螺母有效旋合长度是0.8D(D-螺纹副连接的公称直径)就足够了，尽管是满应力状态也是安全的；种植体螺纹最大的旋合长度不推荐大于1.5D[4],则有下面的约等式成立：

LEH/LEb≈1.5/0.8=1.875

(18)

LEH——计算需要的种植体旋合长度；

LEb——计算需要的螺柱的旋合长度；

看本案的公式(7)及公式(9)，其旋合长度与其许用应力近似呈线性反比例，因此有下式成立：

(19)

设计者选择种植体材料时应尽量接近螺柱的材料，两者材料确定级别差距过大有可能造成有螺纹先行损坏的危险，也可以考虑改变螺柱的材料来实现希望的目的.

5 承压设备中选配标准螺母的建议

HG/T20592、20615-2009给出了紧固件的选配规定，螺母厚度有近似0.8 D(D-螺母的公称直径)和1.0 D两种；本案建议在容器设备的公称压力达6.4 MPa及以上的法兰连接螺母以及其它结构性连接，当螺柱工况处在满应力状态时，选用1.0 D的标准螺母。

GB以及JB标准的法兰参照HG/T20592-2007即可。

6 结 语

承压设备中，在确定螺母厚度时尽量选用标准件厚度；在螺柱满应力工况时选用1.0 D的螺母更有安全裕量；

螺纹副连接的旋合长度内，其轴向抗剪切的力一定要大于螺柱根径抗轴向拉力；

螺母与种植体材料许用应力的比不大于1.875。

非标准螺纹连接设计可以参考本案方法确定旋合长度。