法兰螺栓连接方法和装置

技术领域

本文描述的实施例总体上涉及直接张力指示装置，更具体地，涉及包括直接张力指示垫圈和基部垫圈的直接张力指示装置。

背景技术

直接张力指示垫圈用于指示何时达到适当的螺栓张力。美国专利5,931,618(其全部内容通过引用结合于本文)公开了一种示例性直接张力指示垫圈。图1是美国专利5,931,618的直接张力指示垫圈的俯视图。图2是沿着图1的线2-2截取的剖视图。直接张力指示垫圈60包括形成在第一表面14上的凸起12和形成在第二表面18上的相应的凹陷16。直接张力指示垫圈60包括底面18中的通道62，该通道从每个凹陷16通向直接张力指示垫圈60的外直径。凹陷16填充有指示材料64。当直接张力指示垫圈60与螺栓一起使用时，当螺栓被张紧时，凸起12被压缩。当实现期望的螺栓张力时，指示材料64在直接张力指示垫圈60的外直径处从通道62显露出。指示材料的露出提供了螺栓已被适当张紧的视觉指示。

在一些安装环境中，邻近第二表面18的安装表面可能是粗糙的、磨损的、有凹痕的等。例如，由于在表面上缺乏任何公差控制和/或管的重复组装/拆卸，用于联结两个管的安装法兰可能具有不规则的表面。当直接张力指示垫圈60用在这样的表面上时，指示材料可能变脏或被涂抹，而不是从直接张力指示垫圈60的外直径干净利索地逸出(emit)。

附图说明

现在参考附图，其中，在这些图中，相似的元件编号相似：

图1是传统的直接张力指示垫圈的俯视图；

图2是图1所示的直接张力指示垫圈沿着线2-2截取的剖视图；以及

图3和图4是一种实施例中的直接张力指示垫圈的透视图；

图5和图6是一种实施例中的基部垫圈的透视图；

图7和图8是一种实施例中的直接张力指示装置的透视图；

图9描绘了一种示例实施例中的螺栓连接的法兰连接件；

图10描绘了一种示例性实施例中在螺栓连接的法兰连接件中加载螺栓的方法。

具体实施方式

示例性实施例涉及一种具有直接张力指示垫圈和基部垫圈的直接张力指示装置。在一些实施例中，基部垫圈是直接张力指示垫圈。防旋转特征用于防止直接张力指示垫圈相对于基部垫圈的旋转。

图3和图4是一种实施例中的直接张力指示垫圈100的透视图。直接张力指示垫圈100具有带有中心开口102的平面主体。直接张力指示垫圈100包括形成在第一表面114上的凸起112和形成在第二表面118上的相应的凹陷116。直接张力指示垫圈100包括底面118中的通道120，该通道从每个凹陷116通向直接张力指示垫圈100的外直径。每个凹陷116填充有指示材料117。指示材料117可以是硅或其它弹性材料。当直接张力指示垫圈100与螺栓一起使用时，当螺栓被张紧时，凸起112被压缩。当实现期望的螺栓张力时，指示材料117在直接张力指示垫圈100的外直径处从通道120显露出。指示材料117的逸出提供了螺栓已被适当张紧的视觉指示。

直接张力指示垫圈100可以与基部垫圈130一起使用，所述基部垫圈的示例在图5和图6中示出。基部垫圈130具有带有中心开口132的平面主体，当与直接张力指示垫圈100一起使用时，该中心开口132与中心开口102对齐。基部垫圈130具有第一表面134和第二表面136。在使用中，第一表面134面向直接张力指示垫圈100的第二表面118。直接张力指示垫圈100和基部垫圈130共同使用，使得凹陷116定位在基部垫圈130的平坦的第一表面134上方。第一表面134围绕凹陷116，并防止指示材料117沿除了沿着通道120之外的方向行进。

直接张力指示垫圈100和基部垫圈130包括防旋转特征，以防止直接张力指示垫圈100相对于基部垫圈130旋转。在图3-图6的实施例中，直接张力指示垫圈100包括两个缺口122，基部垫圈130包括两个凸片138。当共同使用时，凸片138接收在缺口122中，以防止当螺母被拧紧时基部垫圈130相对于直接张力指示垫圈100旋转。这防止了指示物被涂抹在基部垫圈130和直接张力指示垫圈100之间。实施例不限于使用两个凸片138和两个缺口122。一个或更多个凸片138可以位于直接张力指示垫圈100上，一个或更多个缺口可以位于基部垫圈130上，或者反过来。凸片138和缺口122只是防旋转特征的示例。在其它实施例中，使用销和孔来防止基部垫圈130相对于直接张力指示垫圈100旋转。

图7和图8是另一实施例中直接张力指示装置200的透视图。直接张力指示装置200包括直接张力指示垫圈210和基部垫圈230。直接张力指示垫圈210具有带有中心开口202的平面主体。直接张力指示垫圈210包括形成在第一表面214上的凸起212和形成在第二表面218上的相应的凹陷216(图8)。直接张力指示垫圈210包括第二表面218中的通道220，该通道从每个凹陷216通向直接张力指示垫圈210的外直径。每个凹陷216填充有指示材料217。指示材料217可以是硅或其它弹性材料。当直接张力指示垫圈210与螺栓一起使用时，当螺栓被张紧时，凸起112被压缩。当实现期望的螺栓张力时，指示材料217在直接张力指示垫圈210的外直径处从通道220中显露出。指示材料217的逸出提供了已经实现预定螺栓张力的视觉指示。

在图7和图8的实施例中，基部垫圈230也是直接张力指示垫圈。直接张力指示垫圈230具有带有中心开口231的平面主体。直接张力指示垫圈230包括形成在第一表面234上的凸起232和形成在第二表面238上的相应的凹陷236(图7)。直接张力指示垫圈230包括第二表面238中的通道240，该通道从每个凹陷236通向直接张力指示垫圈230的外直径。每个凹陷236填充有指示材料237。指示材料237可以是硅或其它弹性材料。当直接张力指示垫圈230与螺栓一起使用时，当螺栓被张紧时，凸起232被压缩。当实现期望的螺栓张力时，指示材料237在直接张力指示垫圈230的外直径处从通道240显露出。指示材料237的逸出提供了螺栓已被适当张紧的视觉指示。

当共同用作直接张力指示装置时，第一直接张力指示垫圈210抵靠第二直接张力指示垫圈230放置，使得第二表面218面对第二表面238。第一直接张力指示垫圈210和第二直接张力指示垫圈230包括在第二直接张力指示垫圈230的第二表面238上的销250以及在第一直接张力指示垫圈210的平面主体中的开口252形式的防旋转特征。销250接合开口252以防止当螺栓被张紧时第二直接张力指示垫圈230相对于第一直接张力指示垫圈210旋转。实施例不限于使用两个销250和两个开口252。一个或更多个销250可以位于直接张力指示垫圈210上，一个或更多个开口252可以位于直接张力指示垫圈230上，或者反过来。

图7和图8的直接张力指示装置200可以以多种方式使用。在第一构型中，第一直接张力指示垫圈210的凹陷216不与第二直接张力指示垫圈230的凹陷236对齐。这种布置允许指示材料217以第一螺栓张力逸出，并且指示材料237以第二螺栓张力逸出。例如，第一直接张力指示垫圈210可以被校准以在代表45ksi(千磅每平方英寸)螺栓应力的张力下在外直径处逸出指示材料217，而第二直接张力指示垫圈230可以被校准以在代表60ksi螺栓应力的张力下在外直径处逸出指示材料237。

在替代构型中，第一直接张力指示垫圈210的凹陷216与第二直接张力指示垫圈230的凹陷236对齐。将凹陷216与凹陷236对齐导致更多指示材料217和237在预定螺栓张力下在外直径处逸出，以提供更高可见度的喷出结果。

如上所述，在基部垫圈130下面的孔尺寸、条件和表面条件不一致的安装中，直接张力指示垫圈100和基部垫圈130可能是有用的。这种不同的孔条件和表面条件经常出现在压力-应力系统中的圆形螺栓连接的法兰连接件中，例如通常用在过程工业厂房、精炼厂、管线等中的管道法兰连接件中。这种系统中的螺栓连接的法兰连接件偶尔设置在新的结构中，但更经常地是在维护情况中遇到，在维护情况中，工作人员需要在严格的时间限制下拆卸和重新组装这种螺栓连接的法兰连接件，并且其中，重新组装的螺栓连接的法兰接头预期是压力密封的，因此操作安全。拧紧螺栓环的目的是实现由螺栓屈服应力的百分比限定的均匀螺栓张力。

目前，在这种螺栓连接的法兰连接件中遵循的螺栓连接方法由ASME(美国机械工程师学会)PCC-1(压力边界螺栓法兰接头组件指南)管理，并且其需要大量计算、校准的扭矩工具和至少两名经过培训的专业人员，并且在执行所有严格的拧紧顺序和步骤后，通常会因为在各个螺栓上遇到的场扭矩张力关系(field torque-to-tension relationship)的固有的不精确性而导致接头泄漏，并且因为在遵循了所有传统方法程序之后，所以没有明显的任何不同。也就是说，正确拧紧的螺栓看起来与错误拧紧的螺栓完全一样。从一侧到另一侧的螺栓之间的串扰(cross-talk)(当一个螺栓被拧紧时，相对的螺栓可能会松开或更紧，取决于法兰条件、刚度等)经常会挫败传统方法安装人员。

本公开的实施例包括有助于加载螺栓连接的法兰连接件的方法和装置，从而仅需要一次性地拧紧螺栓。图9描绘了示例实施例中的螺栓连接的法兰连接件。如图9所示，第一法兰302使用螺栓或螺柱固定到第二法兰304。除非另有说明，本文所用的螺栓意在覆盖螺栓和螺柱。这种接头例如在联结管道中很常见。在图9的示例中总共使用八个螺栓和螺母。可以理解的是，在螺栓连接的法兰连接件中可以使用任意数量的螺栓/螺母，并且使用八个螺栓/螺母仅是示例。

当将第一法兰302固定到第二法兰304时，现有技术将涉及安装者多次将各个螺栓加载到一定的载荷，并以交叉形或星形模式穿过螺栓。例如，参照图10，传统的安装技术可能需要以B1、B5、B3、B7、B2、B6、B4、B8的模式例如以30％的期望的载荷加载螺栓B1-B8。然后，重复(或改变)该模式，安装者将螺栓加载到例如70％的期望载荷。然后，重复(或改变)该模式，安装者将螺栓加载到100％的期望载荷。然后，重复该模式，安装者确认将螺栓加载到100％的期望载荷。以变化的模式将每个螺栓B1-B8重复加载到变化的载荷耗时且容易出错。

根据本公开的实施例，可以依次一次性地(in a single pass)将螺栓B1-B8加载到载荷值。加载螺栓B1-B8的目标是将每个螺栓加载到预定的螺栓载荷值。为了说明起见，预定的螺栓载荷值为65(为了示例目的，无单位)。为了使每个螺栓B1-B8被加载到预定的螺栓载荷值，每个螺栓B1-B8被加载到初始螺栓载荷值。加载可以包括拧紧螺栓上的螺母。例如，螺栓B1被加载到初始螺栓载荷值100、螺栓B2被加载到初始螺栓载荷值70、螺栓B3被加载到初始螺栓载荷值70、螺栓B4被加载到初始螺栓载荷值80、螺栓B5被加载到初始螺栓载荷值100、螺栓B6被加载到初始螺栓载荷值100、螺栓B7被加载到初始螺栓载荷值70、并且螺栓B8被加载到初始螺栓载荷值60。所述数值是无单位的，并且仅用作示例。螺栓B1-B8依次一次性地沿单一方向(如顺时针或逆时针)被加载。在将所有螺栓B1-B8加载到相应的初始螺栓载荷值时，每个螺栓B1-B8将具有满足预定螺栓载荷值的合成螺栓载荷值。

上面提到的初始螺栓载荷值可以通过多种方式鉴别。在一种实施例中，直接张力指示垫圈100(具有或不具有基部垫圈130)被分配给每个螺栓B1-B8。每个直接张力指示垫圈100被制造为在预定螺栓载荷下在直接张力指示垫圈100的外直径处逸出指示材料117，所述预定螺栓载荷可以表示为螺栓张力。应该注意的是，探测每个螺栓B1-B8处的载荷可以采用替代方法，例如应变仪、螺柱延伸、测压元件或甚至通过扭矩单个校准的螺柱。

参考回图10，如果安装者正使用直接张力指示垫圈100来确定螺栓载荷，安装者将在每个螺栓B1-B8处使用预定的直接张力指示垫圈100(具有或不具有基部垫圈130)。参考上面的示例，在螺栓B1处使用的直接张力指示垫圈100将被制造为在预定的螺栓载荷值100下在直接张力指示垫圈100的外直径处逸出指示材料117。将针对剩余螺栓B2-B8的初始螺栓载荷值对多个直接张力指示垫圈100进行调整。安装者只需在每个螺栓B1-B8处使用正确的直接张力指示垫圈100，并拧紧螺母/螺栓，直到指示材料在直接张力指示垫圈100的外直径处逸出。这确保每个螺栓B1-B8被加载到正确的初始螺栓载荷值，从而使得所有螺栓B1-B8具有满足预定螺栓载荷值的合成螺栓载荷值。

本发明的实施例允许安装者依次一次性地拧紧螺栓连接的法兰连接件的螺栓(例如顺时针或逆时针)，并使每个螺栓处的合成螺栓载荷值满足预定的螺栓载荷值。每个螺栓被加载到初始螺栓载荷值，该初始螺栓载荷值可以大于、小于或等于预定螺栓载荷值。每个螺栓载荷值可以使用直接张力指示垫圈100或通过其它技术来建立。

直接张力指示垫圈可以被提供为具有用于与具有N个螺栓的螺栓连接的法兰连接件一起使用的N个直接张力指示垫圈的套件。每个直接张力指示垫圈可以依次编号(从1到N)，使得安装者只需按照标记的顺序将直接张力指示垫圈放置在螺栓连接的法兰连接件的螺栓上。然后，按照从1到N的顺序拧紧每个螺母，直到指示材料在直接张力指示垫圈的外直径处逸出(例如，初始螺栓载荷值)。一旦所有螺栓被加载到初始螺栓载荷值，每个螺栓处的合成螺栓载荷值将满足预定的螺栓载荷值。

这种拧紧方法将节省现场螺栓连接人员大约四分之三的他们目前被迫要花费的时间，在螺栓张力的均匀性方面，并且因此在接头完整性方面具有相同或更好的结果，并且当完成时，由于在直接张力指示垫圈100的外直径处指示材料的可见指示，操作人员将知道他们已经拧紧了每个螺栓，并且不会遗漏任何一个。

关于满足初始螺栓载荷值的螺栓载荷和满足预定螺栓载荷值的合成螺栓载荷值，应当理解的是，这种关系不需要精确地等效。单个螺栓处的螺栓载荷可以在初始螺栓载荷值的+/-5％范围内，并且仍被视为满足初始螺栓载荷值。此外，螺栓的合成螺栓载荷值可以在预定螺栓载荷值的+/-5％范围内，并且仍然被视为满足预定螺栓载荷值。

虽然已经示出和描述了示例性实施例，但是在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行各种修改和替换。因此，应当理解，本发明是通过说明而非限制的方式进行描述的。