Точный расчёт длины болта необходим для надёжных соединений в промышленных трубопроводных системах.
Вы не просто “подгоняете по размеру”. Длина болта определяет (1) полное зацепление резьбы гайки, (2) величину упругого растяжения шпильки для поддержания стабильного напряжения на прокладке и (3) возможность разборки соединения без резки крепежа. Для стандартных размеров фланцев ASME самый быстрый способ — сверить ваш результат с рекомендациями по длине шпильки, связанными с ASME B16.5 (и ASME B16.47 для больших диаметров). Для практик сборки соединений и общих механизмов отказа (осадка, релаксация, выравнивание) используйте ASME PCC-1.
- Начните с правильного стандарта/серии фланца (B16.5 против B16.47), типа поверхности (RF/FF/RTJ) и типа/толщины прокладки.
- Рассчитайте по геометрической сумме (стек-ап), а затем проверьте по опубликованным таблицам фланцев/болтов, основанным на размерах ASME.
- Подтвердите правила зацепления резьбы для вашего кода и спецификации проекта (многие спецификации трубопроводов ссылаются на ожидания по зацеплению резьбы ASME B31.3).
Формула длины болта для фланцев ASME
Теоретическая длина шпильки: объяснение
Вы рассчитываете теоретическую длину шпильки для фланцев ASME, используя стандартный метод суммирования толщин, обычно применяемый для фланцевых соединений типа B16.5. Цель проста: шпилька должна проходить через оба фланца и прокладку, полностью зацепляться обеими гайками и оставлять контролируемый выступ резьбы для осмотра и будущего демонтажа.
Совет: Прежде чем что-либо рассчитывать, подтвердите тип уплотнительной поверхности фланца (RF/FF/RTJ) и тип прокладки. RTJ и изолированные соединения изменяют сумму толщин больше, чем многие ожидают.
Вот часто используемый метод расчёта длины шпилек для фланцевых соединений (практический подход суммирования толщин):
| Компонент | Описание | Формула / Как её использовать |
|---|---|---|
| L | Теоретическая длина шпильки | L = 2 (s + n + h + rf) + g + 2w + p |
| s | Допуск на свободную резьбу (типичная отправная точка) | s ≈ 1/3 × диаметр болта (проверьте по спецификации проекта) |
| n | Высота гайки (зависит от типа гайки/стандарта) | Используйте высоту гайки из ASME B18.2.2 (усиленная шестигранная гайка против шестигранной гайки имеет значение) |
| h | Толщина фланца до поверхности контакта с прокладкой | Измерьте фактическую толщину фланца штангенциркулем (не полагайтесь на память) |
| rf | Высота выступающей поверхности (или выступа, добавляющего к толщине) | RF добавляет высоту; FF обычно rf = 0; RTJ/T&G следуют геометрии поверхности и стандартным таблицам |
| g | Толщина прокладки | Используйте фактическую толщину прокладки (спирально-навитая и листовая различаются) |
| w | Толщина шайбы (если используется) | Добавьте толщину шайбы с каждой стороны гайки (всего 2w), когда шайбы указаны |
| p | Допуск на выступ резьбы | Планируйте контролируемый выступ (часто 1–2 витка резьбы) и полное зацепление |
Воспринимайте формулу как дисциплинированный расчёт накопления размеров, а не как “магическое число ASME”.” Если вы измерите фактическую высоту сборки (две толщины фланца + прокладка + шайбы, если есть) и затем добавите высоты гаек плюс контролируемый выступ резьбы, вы получите длину шпильки, которая собирается чисто и сохраняет преднатяг.
Пример отказа в полевых условиях (короткая шпилька): На модуле закачки воды Class 600 шпильки были короче примерно на 6–8 мм, потому что толщина шайбы была проигнорирована. Гайки “казались затянутыми”, но одна сторона гайки находилась близко к сбегу резьбы. После гидроиспытания соединение подтекало в нижней точке. Основная причина — неполное зацепление гайки + неравномерное сжатие прокладки. Исправление: правильная длина шпильки, замена заевших гаек, повторная сборка в соответствии с ASME PCC-1 практиками.
Примечание: Если вы используете опубликованные таблицы болтов (основанные на B16.5/B16.47), проверьте, как определена “длина” (например, от первой резьбы до первой резьбы для шпилек, и исключены ли концы/фаски). В таблицах поставщиков эти определения часто указаны явно.
Необходимые измерения и инструменты
Вы должны точно измерить каждый компонент, чтобы рассчитать правильную длину болта. На практике “номинальные” значения подходят для первого приближения, но вы должны подтвердить хотя бы толщину одного фланца и толщину прокладки из фактической партии (особенно для мягких прокладок, изолированных комплектов или спирально-навитых прокладок, которые различаются по типу и плотности навивки).
Вот ключевые переменные и типичные единицы измерения, которые следует записать:
| Переменная | Единица измерения |
|---|---|
| Толщина фланца (каждая сторона) | мм или дюймы |
| Высота поверхности уплотнения (RF / углубление / канавка) | мм или дюймы |
| Толщина прокладки (несжатая) | мм или дюймы |
| Высота гайки (фактический стандарт/тип гайки) | мм или дюймы |
| Толщина шайбы (если указана) | мм или дюймы |
| Целевой выступ резьбы (выступающие витки) | витки / мм / дюйм |
Вам понадобятся следующие инструменты:
- Штангенциркуль или микрометр для измерения толщины фланца, шайбы и прокладки
- Стальная линейка или рулетка для проверки общей длины шпильки
- Резьбомер (и шагомер) для подтверждения диаметра/шага резьбы болта
- Глубиномер (полезен для измерения канавок RTJ и зенковок, когда это актуально)
Допуски размеров имеют значение, потому что ваш расчёт не имеет “запаса прочности”, если соединение уже плотно по длине. Стандарты ASME на фланцы включают допуски и размерные определения; используйте текущее издание применимого стандарта в качестве основного справочника (B16.5/B16.47). Для быстрого контекста в цехе многие производители используют сводки допусков, соответствующие этим стандартам.
Таблица ниже представляет собой часто используемую сводку допусков для размерных пунктов контроля фланцев (проверьте в соответствии с действующим стандартом вашего проекта и планом контроля):
| Размер | Допуск |
|---|---|
| Наружный диаметр (O.D. ≤ 24″) | +0.125″, -0.0625″ |
| Наружный диаметр (O.D. > 24″) | +0.125″, -0.125″ |
| Внутренний диаметр (I.D. ≤ 10″) | +0,03125″, -0″ |
| Внутренний диаметр (I.D. > 10″) | +0,0625″, -0″ |
| Диаметр контактной поверхности | +0,0156″, -0,0156″ |
| Диаметр отверстия под болт | +0,03125″, -0,03125″ |
| Диаметр окружности расположения болтов | +0,0625″, -0,0625″ |
| Расстояние между отверстиями под болты | +0,03125″, -0,03125″ |
| Толщина (номинальный размер ≤ 18″) | +0,125″, -0″ |
| Толщина (Номинальный размер > 18″) | +0,1875″, -0″ |
Практический вывод: Если толщина фланца и толщина прокладки увеличиваются, “пограничные” шпильки становятся слишком короткими. Именно поэтому многие спецификации на объекте требуют проверки положительного выступа резьбы после окончательной затяжки (визуальная проверка выполняется быстро и позволяет выявить наихудшие случаи на раннем этапе).
Факторы длины болта
Толщина фланца и прокладки
Толщина фланца и прокладки непосредственно определяют длину зажатия (зажима) вашего соединения.
Длина зажатия — это общая толщина материалов, зажимаемых между опорными поверхностями гаек (обычно: две толщины фланца + прокладка + любые шайбы или компоненты изоляционного комплекта). Более длинное эффективное зажатие, как правило, увеличивает упругость болта, помогая соединению сохранять нагрузку при ползучести прокладки или повороте фланца под давлением/тепловым воздействием.
- Более толстые фланцы и более толстые прокладки увеличивают требуемую длину болта.
- Короткие шпильки более чувствительны к потерям от усадки/релаксации; та же потеря толщины соединения вызывает большее снижение нагрузки на болт при малой эффективной длине болта.
- Не предполагайте толщину прокладки: спирально-навитые, каммпрофильные и листовые прокладки могут различаться как по толщине, так и по сжимаемости.
- Если вы используете фланцы RTJ, не обращайтесь с ними как с RF: геометрия уплотнительной поверхности и выбор кольца определяют различные детали сборки и могут влиять на практику выбора длины.
- Как правило, в практике фланцевых соединений “очень короткие” болты (низкое отношение эффективной длины к диаметру) склонны быстрее терять усилие затяжки при той же усадке соединения; подтвердите свои пределы и процедуру в соответствии с ASME PCC-1.
Пример отказа в полевых условиях (замена прокладки): Команда по техническому обслуживанию заменила прокладку из прессованного волокна толщиной 1,5 мм на спирально-навитую прокладку толщиной 3,2 мм “того же размера, того же шага болтов”. Старые шпильки едва имели видимый выступ после затяжки; новая прокладка оставила несколько гаек без полного зацепления. Соединение было переделано с правильной длиной шпильки и закалёнными шайбами для стабилизации трения при затяжке.
Высота гайки и допуск на шайбу
Высота гайки и допуск на шайбу являются важными частями общей высоты сборки при расчётах длины болта.
Не предполагайте, что высота гайки равна номинальному диаметру. Шестигранные и усиленные шестигранные гайки имеют разную высоту, и проекты могут предусматривать определённые стандарты. Используйте тип гайки и размеры из признанных стандартов на крепёж (например, ASME B18.2.2 для гаек дюймовой серии; подтвердите метрический эквивалент, если вы работаете с крепежом ISO/DIN).
- Высота гайки определяет, сколько витков резьбы доступно для зацепления.
- Шайбы (если указаны) защищают опорные поверхности фланцев и могут улучшить стабильность момента затяжки, уменьшая заедание поверхности и разброс трения.
- Всегда добавляйте толщину шайбы к вашему расчёту, когда шайбы требуются по процедуре болтового соединения или спецификации заказчика.
Совет: Если вы наблюдаете большой разброс момента затяжки или “липкое” вращение гайки в нержавеющем крепеже, проверьте требования к шайбам и совместимость смазки, прежде чем винить длину шпильки.
Дополнительные допуски
Дополнительные допуски учитывают целевые выступы резьбы, специальные комплекты и условия эксплуатации, влияющие на выбор длины болта.
Как минимум, необходимо полное зацепление резьбы через гайку. Многие трубопроводные спецификации ссылаются на ожидание, что болты выступают через гайку (или короче не более чем примерно на один виток) и что соединение показывает контролируемый выступ после затяжки. Для практического справочника, широко используемого в отраслевых обсуждениях ожиданий зацепления резьбы по ASME B31.3, см. сводку на Portland Bolt (зацепление резьбы).
- Планируйте контролируемый выступ. Один-два выступающих витка обычно используются как визуальный индикатор полного зацепления во многих спецификациях по техническому обслуживанию и стандартах владельцев.
- Если вы используете комплекты изоляции фланцев (втулки, шайбы, изолирующие прокладки), добавьте толщину каждого компонента в общую высоту — эти комплекты часто добавляют больше, чем “небольшие” запасы, которые предполагают люди.
- При повышенных температурах ползучесть прокладки и релаксация соединения могут со временем снижать нагрузку на болт; большая эффективная длина болта обычно обеспечивает лучшее удержание нагрузки при одинаковой величине осадки соединения. Релаксация в болтовых фланцевых соединениях является известным фактором риска утечек, особенно при тепловых переходах (Документ ASME по релаксации болтовых фланцев).
- Всегда подтверждайте размер фланца, класс давления, уплотнительную поверхность, диаметр/шаг резьбы болта и тип гайки перед окончательным определением длины шпильки.
Пример отказа в полевых условиях (слишком длинная шпилька): На наружном трубопроводе морской воды слишком длинные шпильки оставили чрезмерную открытую резьбу. Солевой туман + застойная вода у торца гайки вызвали щелевую коррозию и заедание гаек. Следующий останов потребовал резки крепежа. Решение: выбирайте правильную длину шпильки, указывайте защитные колпачки или покрытия, где это разрешено, и избегайте ненужной длины открытой резьбы.
Понимая каждый фактор — толщину фланца, толщину прокладки, высоту гайки, допуск на шайбу и контролируемый выступ — вы можете выбрать длину болта, которая обеспечивает чистую сборку и сохраняет ремонтопригодность.
Пример расчёта для фланцев ASME
Примерные значения и пошаговый расчёт
Вы можете рассчитать правильную длину болта для вашего фланцевого узла, следуя чёткому процессу.
Приведённый ниже пример основан на геометрическом сложении размеров. В реальных условиях “правильная” цель выступа зависит от вашей спецификации на болтовое соединение и ожиданий по нормам, поэтому рассматривайте выступ как контролируемое требование, а не как догадку.
Дано:
- Толщина фланца: 24 мм (каждый фланец)
- Толщина прокладки: 3 мм
- Высота гайки: 20 мм (на гайку)
- Толщина шайбы: 2 мм (на шайбу, 2 шайбы)
- Требуемый выступ: 6 мм (примерная цель; уточнить по шагу резьбы и спецификации)
Пошаговый расчёт:
- Суммировать толщину зажимаемых деталей (длина захвата):
- Два фланца: 24 мм × 2 = 48 мм
- Прокладка: 3 мм
- Две шайбы: 2 мм × 2 = 4 мм
- Суммарная толщина зажимаемых деталей = 55 мм
- Добавить гайки + допуск на выступ:
- Две гайки: 20 мм × 2 = 40 мм
- Допуск на выступ: 6 мм
- Сумма гайки + выступ = 46 мм
- Общая длина болта:
- 55 мм (толщина зажимаемых деталей)
- + 46 мм (гайки + выступ)
- Итого = 101 мм
Вы должны округлить до ближайшей коммерчески доступной длины болта.
Если доступен размер 105 мм, выберите его для вашей сборки, затем проверьте окончательный выступ после затяжки.
Совет: Преобразуйте “выступ в мм” в “витки резьбы” с использованием шага. Выступ 6 мм не одинаков для M16×2,0 и M20×2,5.
Использование таблиц ASME B16.5 и эмпирических правил
Вы можете использовать стандарты размеров фланцев ASME в качестве основного справочника для стандартных размеров фланцев.
Для NPS 1/2–24 применимым базовым стандартом является ASME B16.5. Для NPS 26–60 используйте ASME B16.47. Опубликованные таблицы фланцев/болтов могут ускорить выбор, но вам всё равно нужно подтвердить выбор уплотнительной поверхности и прокладки (таблицы для RF и RTJ не всегда совпадают).
Об “эмпирических правилах” (например, 5:1):
Правила, такие как “длина шпильки ≈ 5 × диаметр”, могут быть полезны для проверки, чтобы избежать чрезмерно коротких болтов, но они не заменяют расчёт стопки и стандартные таблицы. Используйте их для выявления очевидных ошибок (например, шпилька слишком короткая для обеспечения упругого растяжения), затем вернитесь к измеренной стопке и основному стандарту.
Сводная таблица (иллюстративная — длины зависят от класса, типа поверхности и серии):
| Размер фланца | Диаметр болта | “Проверка длины ”5×D» | Проверка по стандартной таблице |
|---|---|---|---|
| 2″ | 16 мм | ≈ 80 мм | Сверьтесь с таблицей B16.5 для вашего класса/типа поверхности |
| 3″ | 20 мм | ≈ 100 мм | Сверьтесь с таблицей B16.5 для вашего класса/типа поверхности |
| 4″ | 22 мм | ≈ 110 мм | Сверьтесь с таблицей B16.5 для вашего класса/типа поверхности |
Вы всегда должны сравнивать ваше расчётное значение со стандартной таблицей и выбирать значение, которое обеспечивает полное зацепление и контролируемый выступ.
Если ваш результат сборки длиннее значения из таблицы, проверьте, что изменилось (толщина прокладки, шайбы, изоляционный комплект, тип гайки). Не “навязывайте” длину из таблицы на нестандартную сборку.
Измерение и предотвращение ошибок
Измерение шпилек и шестигранных болтов
Вы должны точно измерять болты, чтобы обеспечить безопасное и надёжное фланцевое соединение.
Измеряйте длину шпильки так, как это определяет ваш стандарт или поставщик. Многие таблицы шпилек определяют длину от первой резьбы до первой резьбы (исключая эффекты фаски/конца). Если вы используете таблицы поставщика, уточните, как учитываются концы; некоторые источники отмечают, что концы шпилек обычно имеют длину около 1–2 полных витков резьбы (пример примечаний к таблице).
| Инструмент | Описание |
|---|---|
| Штангенциркуль | Измерьте толщину фланца, толщину шайбы, толщину прокладки, высоту гайки и диаметр болта. |
| Рулетки | Полезны для проверки общей длины шпильки и больших наружных диаметров фланцев. |
| Инструменты для измерения фланцев | Обеспечивают повторяемость измерений внутренних/наружных диаметров и размеров отверстий под болты на сборках. |
Выполните следующие шаги для измерения шпилек и шестигранных болтов:
- Подтвердите тип крепежа и стандарт размеров (геометрия головки болта/гайки определяется стандартами, такими как ASME B18.2.1 и ASME B18.2.2).
- Измерьте диаметр и шаг резьбы (неправильный шаг резьбы — это скрытая ошибка на месте).
- Измерьте общую длину шпильки с использованием определённого метода (от первой резьбы до первой резьбы, где применимо).
- Проверьте высоту гайки и толщину шайбы, если она используется.
- После сборки визуально проверьте зацепление/выступ с обеих сторон.
| Тип размера | Описание |
|---|---|
| Высота головки | Для шестигранных болтов убедитесь, что геометрия головки соответствует стандарту на крепёж. |
| Размер под ключ | Обеспечивает правильную посадку ключа и предотвращает скругление при затяжке. |
| Диаметр тела | Подтверждает прохождение через отверстия и совместимость с гайками. |
| Длина болта/шпильки | Измерьте с использованием установленного метода определения длины для данного типа крепежа. |
| Длина резьбы / Шаг резьбы | Контролирует зацепление и предотвращает несовместимые комбинации гайка/шпилька. |
| Финальная проверка зацепления | После затяжки убедитесь в полном зацеплении гайки и контролируемом выступе. |
Пример заедания на нержавеющем крепеже (проблема сборки, похожая на “неправильную длину”): На нержавеющем крепеже гайки могут заедать во время затяжки из-за заедания. Монтажник останавливается раньше, оставляя низкий преднатяг и утечки — затем винит длину шпильки. Если ваше применение позволяет, используйте правильную смазку и совместимую пару гайка/болт; меры по снижению заедания нержавеющего крепежа обсуждаются в технических справочниках, таких как NASA Fastener Design Manual (например, концепции использования оцинкованных гаек в качестве смазывающего/антикоррозионного барьера). В трубопроводных работах всегда подтверждайте, какие смазки разрешены и химически совместимы с условиями процесса.
Распространённые ошибки при выборе длины болта
Вы можете избежать ошибок, используя повторяемый контрольный список, привязанный к вашим руководящим стандартам и процедуре соединения.
Многие ошибки происходят, когда монтажники предполагают “стандартную прокладку”, игнорируют шайбы/изоляционные комплекты или не проверяют длину зацепления резьбы после затяжки. Если ваш трубопроводный код/спецификация ссылается на ожидания B31.3 по зацеплению, практическая интерпретация (выход за гайку или недолет не более примерно одной нитки) суммирована в руководстве по длине зацепления резьбы на Portland Bolt.
Распространённые ошибки включают:
- Использование неправильной длины болта для фактической толщины фланца (измеренная против номинальной).
- Игнорирование толщины шайбы или высоты стопки изоляционного комплекта.
- Предположение высоты гайки без подтверждения стандарта/типа гайки.
- Упущение контролируемого выступа и проверок зацепления после затяжки.
- Непроверка шага резьбы и совместимости гайки (особенно в смешанных метрических/дюймовых средах).
Вы можете сократить ошибки, обеспечив надлежащее обучение всего персонала.
Уровни обучения варьируются от вводного до специализированного и обучения инспекторов для ответственных соединений. Многие организации основывают программы обучения крепёжным работам на практике и терминологии PCC-1.
| Уровень обучения | Описание |
|---|---|
| Вводное обучение | Минимум для персонала, работающего с болтовыми фланцевыми соединениями. |
| Стажёр по крепёжным работам | Рекомендуется для монтажного персонала, работающего под наблюдением. |
| Специалист по крепёжным работам | Для персонала, управляющего ответственными соединениями и процедурами в сложных условиях. |
| Обучение инспекторов | Для тех, кто проверяет зацепление резьбы, записи о затяжке и приёмку соединений. |
Совет: После окончательной затяжки выполните быструю проверку “торца гайки” вокруг фланца: убедитесь в равномерном зазоре фланца (если применимо) и подтвердите, что зацепление/выступ резьбы одинаково на всех шпильках.
Вы обеспечиваете точность и соответствие требованиям, следуя этим ключевым шагам для расчёта длины болта:
| Шаг | Описание |
|---|---|
| 1 | Измерьте толщину фланца, прокладки, гайки и шайбы/комплекта на реальных изделиях. |
| 2 | Добавьте допуски на контролируемый выступ резьбы и любую специальную оснастку. |
| 3 | Сверьтесь с применимым стандартом на фланцы (B16.5 или B16.47) и надёжными таблицами. |
| 4 | После затяжки подтвердите полное зацепление резьбы и допустимый выступ в соответствии с вашим кодом/спецификацией (см. руководство по зацеплению резьбы). |
Вы повышаете безопасность и производительность, используя контрольный список и согласовывая свою практику сборки с признанными руководствами.
- Правильная длина болта обеспечивает эффективное уплотнение и снижает вероятность неравномерного сжатия прокладки.
- Правильная установка помогает предотвратить утечки и проворачивание/коробление фланца.
Точный преднатяг болтов обеспечивает надёжность фланцевого соединения в течение всего срока службы. Рассматривайте длину болта как часть системы контроля преднатяга: если крепёж не может полностью зацепиться и растянуться, как задумано, никакая процедура затяжки не спасёт соединение.
Часто задаваемые вопросы
Как выбрать правильную длину болта для фланцев ASME?
Вы суммируете фактическую высоту пакета и затем проверяете зацепление после затяжки. Практическая последовательность действий:
- Измерьте: две толщины фланцев + прокладка + шайбы/изоляционные компоненты.
- Добавьте: две высоты гаек (подтвердите тип гайки) + целевой контролируемый выступ.
- Перепроверьте: сравните с надёжной таблицей, основанной на правильном стандарте ASME для фланцев (B16.5 против B16.47).
Какие инструменты помогают измерять размеры фланцев и болтов?
Используйте штангенциркули, рулетки и резьбомеры для точных измерений. Для повторяемости на месте:
- Штангенциркули/микрометры: толщина фланца, шайбы и прокладки; диаметр шпильки.
- Рулетка/линейка: проверка общей длины шпильки.
- Резьбомер/шагомер: подтверждение размера и шага резьбы перед сборкой.
Почему выступ болта важен при сборке фланцев?
Необходим контролируемый выступ для подтверждения полного зацепления и ремонтопригодности. Слишком малый выступ может указывать на неполное зацепление; слишком большой увеличивает риск коррозии и может мешать доступу. Многие спецификации трубопроводов требуют полного зацепления через гайку (часто “выходить через гайку” или в пределах примерно одной нитки), что обычно обобщается в отраслевых рекомендациях, таких как ссылки на длину зацепления резьбы.
- Обеспечивает визуальный контроль зацепления после затяжки.
- Снижает вероятность накручивания гайки на сбег резьбы у конца шпильки.
- Улучшает будущую разборку по сравнению с условиями “вровень/без резьбы”.
Можно ли использовать шайбы с каждым фланцевым соединением?
Вы можете использовать шайбы, если это требуется по условиям вашего применения, спецификации заказчика или процедуре болтового соединения. Во многих случаях шайбы помогают защитить опорные поверхности фланцев и стабилизировать трение при затяжке — но они должны быть учтены в общей длине стопки болтового соединения.
- Шайбы защищают поверхности фланцев и распределяют нагрузку.
- Шайбы добавляют толщину и увеличивают требуемую длину шпильки.
- Используйте закалённые шайбы там, где это указано, для обеспечения стабильного поведения при затяжке.
Что произойдёт, если использовать болт неправильной длины?
Вы рискуете утечками, нестабильностью соединения и небезопасными соединениями. Типичные последствия:
- Слишком короткие: неполное зацепление гайки, уменьшенный запас преднатяга, повышенный риск утечек под давлением/тепловыми циклами.
- Слишком длинные: проблемы с доступом, ненужные открытые резьбы (коррозия/заедание) и задержки монтажа.
- Корректирующие действия: замените крепёжные изделия и соберите заново, используя измеренную стопку плюс перекрёстную проверку по стандарту/таблице.
