阀体连接螺栓、螺母与螺孔设计中若干问题的探讨
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<d/16时，螺纹剪切强小于螺栓截面拉伸强度；当t＞d/16时，螺纹剪切强度大于螺栓截面拉伸强度。
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。”
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3mm。ASME 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IC。
ASME 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B16.34的经验计算公式，只计算螺栓截面拉伸强度，不计算螺纹的剪切强度，这是因为假设设计的螺栓其螺纹强度大于螺纹强度。
按ANSI B16.34的解答。不允许公制螺纹去替代美制螺纹，就是不能把1英寸8牙理解为公制螺纹螺距是3毫米。对此作出明确的否定回答。
对于合金钢螺栓关于8UN系列的推荐，是因为8UN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径螺栓（如4”螺栓），是否存在螺纹强度的不足，这是美制螺纹基础标准的问题，因由ASME B1.1来作出解释，本文姑且存疑。
国内阀门标准中有关螺栓的问题，笔者认为标准没有必要对螺栓的螺距做出规定， 应由制造厂在保证螺纹强度，螺栓强度的条件下，自行决定。
参考资料：
〔1〕西北工业大学机械另件教研室：机械另件，1982。
〔2〕ASME B16.5《管道法兰与法兰联接管件》
〔3〕ASME B1.1《统一英制螺纹》
〔4〕ANSI B16.34《法兰、螺纹和焊接端阀门》
邬佑靖：1960年西安交通大学动力机械系毕业，高级工程师，长期从事管线球阀的设计、制造工作。现为上海耐莱斯·詹姆斯伯雷阀门有限公司总工程师。