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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：上海耐莱斯·詹姆斯伯雷阀门有限公司 发布时间：2009-5-5 点击：1422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

　　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 级二、　问题的缘由与标准的解读 国内 GB 阀门标准和国际 ISO 阀门标准中存在的问题是由于不准确的解读美国石油协会 API 608《Metal ball valve- flanged,threaded,andwelding ends,NEQ》，而产生的，API 608 节 4.10“阀门壳体连接和螺栓”中，4.10.2 是这样描述的：“壳体组装用的螺栓，必须带螺钉头螺栓或者双头螺栓，螺母必须是半精制六角螺母符合 ASME B18.2.2，螺栓的螺纹符合ASME B1。

少于和等于一英寸螺栓（2.54 厘米），用粗牙 UNC螺纹，螺栓大于 1 英寸（2.54 厘米）用一英寸 8 牙系列（8UN）….”显然，在这里 GB 标准和 ISO 标准把 1 英寸的美制螺纹读作公制螺纹 M27 和 M30，把 8UN 系列读作为细牙，螺距为 3mm什么是 8UN 系列螺纹？我们查阅美标 ASME B.1.1《统一英值螺纹》，第 3.6（a）：“8UN-8 牙系列，是用于大直径或介于粗牙和细牙系列之间的不变螺距系列虽然该系列最初用于高压连接的螺栓和螺母，但现在已广泛的用来代替直径大于 1 英寸的粗牙螺纹系列显然，我们不能把 8UN 系列解读为细牙，事实上，它是替代粗牙的一个系列，因为替代了粗牙系列，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）螺栓读作公制螺栓 M27 和M30；8UN 系列一英寸 8 牙解读为公制螺栓螺距为3mm（25.4/8）8UN 系列的螺纹是要满足 ASME B1.1 的螺纹的牙型，它不同于公制螺纹的标准牙型试看 B16.34 对该标准螺栓连接有关螺纹的解释： 解释： I-20主题： 6.4；螺栓连接 发布日期：1983 年 6 月 3 日文件号：B16-83-003问：可否采用不同于 ANSI B1.1（ASME B1.1）牙型的螺栓连接来连接标记符合 ANSI B16.34 要求的阀门的阀门法兰。

答：不可B16.34 的 6.4 规定只可用 ANSI B1.1 牙型的螺栓连接解释： I-35主题： 6.4；螺栓连接发布日期：1985 年 2 月 27 日文件号：B16-84-014问：按 ANSI B16.34 的要求，当米制阀门螺栓连接满足相应 ASME 技术条件的化学成分和机械性能的要求并满足ANSI B1.1 牙型的强度要求时，这样的米制阀门法兰螺栓连接允许使用吗？答：不允许ANSI B16.34 第 5 章要求应用的 ASTM 材料6.4 要求螺栓连接按照 ANSI B1.1 加工的螺纹ANSI B16.34 的解释是不允许，不能用公制螺纹的螺栓去机械地等同美制螺纹（ANSI B1.1）的螺栓　　 我们再进一步查看，API608 关于连接螺栓的规定，其来源和依据是 ASME B16.5 的法兰标准，其中第 6.10.1 法兰螺栓尺寸，标准中叙述如下：“两端带螺纹或全螺纹双头螺丝或螺栓可用作法兰螺栓螺栓、双头螺栓和螺母的推荐尺寸见表 1C”Table 1C 推荐的法兰连接螺栓碳钢 合金钢螺栓螺纹满足 ASNE B1.1, 2A 级粗牙螺纹1 英寸以下的螺栓，螺纹满足 ASNE B1.1, 2A 级粗牙螺纹。

大于 1 英寸的螺栓采用 8 牙/1 英寸系列（8UN 系列）螺母螺纹满足 ASNE B1.1, 2B 级粗牙螺纹1 英寸以下的螺栓，螺纹满足 ASNE B1.1, 2B 级粗牙螺纹大于 1 英寸的螺栓采用 8 牙/1 英寸系列（8UN 系列）由此可见，（ 1）8 牙/1 英寸系列就是美制 8UN 系列，是替代大直径螺栓粗牙螺纹的一个系列不允许读作公制螺栓＞M27 螺距为3mmASME B16.5 没有对公制螺纹作出规定 2）对于碳钢材料的螺栓和螺母 ，按 ASME B16.5 推荐，采用粗牙系列；（ 3）ASME B1.1 美制螺纹牙型不同于公制螺纹牙型，不能等同因此，不能把 “螺纹大于 1 英寸的采用 8 牙/1 英寸系列 解读为 “螺纹直径大于 27mm 的螺栓，采用螺距为 3mm 的公制螺纹三、　阀门壳体连接螺栓，螺纹和螺孔的设计与计算按照 ANSI B16.34-2004 阀门壳体连接螺栓的计算公式；当英制螺纹满足 ASME B1.1，许用应力采用 Psi 单位时：Pn x Ag / Ab = 0.35 ［σ］＜ 7000 Psi （3）当公制螺纹满足 ASME B1.13，许用应力采用 Mpa 单位时：Pn x Ag / Ab = 0.35 ［σ］＜ 49 Mpa （4）式中：Pn 额定压力值，Ag 阀体由垫片 O 型圈密封限定的有效面积 ，Ab 螺栓总的有效拉伸截面积 ，[σ] 为螺栓材料的抗拉许用应力。

　　这是一个充分简化的经验公式这里有二个问题要引起注意，第一，为什么许用应力［σ］要乘以 0.35，按照 ANSI B16.34 的解释，这一经验公式是来自 ANSI B16.5 的法兰标准，已经有几十年的使用的经验第二为什么许用应力［σ］乘以 0.35 后还要限止＜7000Psi，或者＜49Mpa按照 ANSI B16.34 的解释，这是因为推荐的螺栓，螺母材料中有许用应力［σ］= 2000Psi(138Mpa)的材料.也就是无论你选择何种高强度材料，螺栓计算时，材料的许用应力仍按［σ］= 2000Psi(138Mpa)考虑可见，这是一个充分简化的又十分保守的经验公式ANSI B16.34 提供的经验公式只计算螺栓总的有效拉伸截面积，不考虑螺栓，螺母的螺纹剪切强度因此，工程师必须确认你设计的螺栓它的螺纹剪切强度大于螺栓有效截面积的拉伸强度应该指出，粗牙螺纹的剪切强度大于螺栓有效截面积的拉伸强度因此，也可以认为，ANSI B16.34 提供的公式是指粗牙螺纹的螺栓再依据是 ANSI B16.5 的法兰标准中第6.10.1 中表 1C 关于“ 螺栓、双头螺栓和螺母的推荐”，对于碳钢阀体材料如 A105，LF2，WCB，WCC 等推荐采用粗牙螺纹ASMEB1.1。

四、　结论与存疑 ANSL B16.34 中关于阀体连接螺栓的计算，以及 API 608 中关于阀门壳体连接螺栓的推荐，均来源于 ASME B16.5 的法兰标准，表 ICASME B16.5 法兰标准表 IC 中明确规定对于碳钢材料的螺栓螺母选用美制 ASME B1.1 螺纹标准的，均建议选用粗牙只有选用合金钢螺栓时，如果选用美制 ASME B1.1 螺纹，对于 1 英寸以下的建议用粗牙，对于 1 英寸以上的建议采用 8UN系列，即 1 英寸 8 牙系列API 608 对螺栓的推荐，忽视一个问题，就是大部阀体材料是碳钢，阀体上的螺孔应视为螺母似无必要规定螺栓螺纹的粗细ANSI B16.34-2004 版中增加公制螺纹的计算，但ASME B16 法兰标准表 IC 没有提到公制螺纹，API 608 也没有提到公制螺纹而 B16。