定扭矩电动扳手扭矩值的设定及使用
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2013 年第 2 期
定扭矩电动扳手扭矩值的设定及使用
吕淑芬
摘要：定扭矩电动扳手也称为电动扭矩扳手，它能有效提高设备螺栓的紧固质量和施工效率，电动扭矩扳手扭矩 值的设定是螺栓紧固质量的关键，文中对如何确定扭矩值进行了举例计算，并阐述了电动扭矩扳手使用时应注意的几 个问题。
关键词：定扭矩电动扳手 螺栓预紧力 螺栓载荷计算 扭矩值计算 注意的问题
Байду номын сангаас
垫片形式：齿形垫片, 垫片材质：
，螺
栓为：88-M46。
以下是各公式计算符号的意义：
b— — —垫 片 有 效 密 封 宽 度 ,mm；b0— ——垫 片 基 本 密 封 宽 度 , mm；
d— — —螺栓内径,mm； Di— — — ——圆筒、封头内直径，mm； D2— —— — —齿形环外径，mm；D1— — — ——齿形环内径，mm； DG— — — ——垫片压紧力作用中心圆直径，mm； FG— — —垫片压 紧力,N；
1.前言 在石油化工设备中，大部分设备都采用高强螺栓作为紧固 件，特别是各类压力容器对螺栓的紧固有着更严格的要求，因为 它直接影响着生产安全，由于螺栓的紧固问题而发生重大泄露、 爆炸事故的实例数不胜数。过去，使用普通手动扳手，螺栓的紧 固仅凭经验，费时费力，质量很难保证。扭矩扳手的使用，特别是 定扭矩电动扳手，操作方便、省时省力、扭矩可调，不仅能保证紧 固质量，而且大大提高了工效。 2.问题的提出 扭矩扳手又叫力矩扳手、扭力扳手。扭矩可调扳手是扳手的 一种，一般分为两类：电动扭矩扳手和手动扭矩扳手。扭矩扳手 最主要特征就是：可以设定扭矩，并且扭矩可调。扭矩扳手既可 初紧又可终紧，它的使用是先调节扭矩，再紧固螺栓。一般的对 于高强螺栓的紧固都要先初紧再终紧，而且每步都需要有严格 的扭矩要求。设定扭矩值不足，造成设备泄露；设定扭矩值过大， 压坏密封垫片造成泄露，甚至拉坏紧固螺栓，同样威胁设备运行 安全。如何准确设定扭矩值，是保证螺栓紧固质量的关键。下面 以聚丙烯生产装置 R-251 搅拌釜为例，对定扭矩电动扳手扭矩 值进行计算并对使用定扭矩电动扳手应注意的问题予以简要叙 述。 3.电动扭矩扳手扭矩值的计算 3.1 几个概念 3.1.1 扭矩扳手 扭矩扳手是指带扭矩测量机构的拧紧计量器具，用于按预 先确定的扭矩拧紧或拆卸螺栓螺母。扭矩扳手按驱动动力可分 为手动扭矩扳手、气动扭矩扳手、电动扭矩扳手和液压扭矩扳 手。 3.1.2 扭矩 T 与螺栓轴向力 Wp 的关系
(下转第 34 页)
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2013 年第 2 期
试技术以及电脑广泛应用的基础之上发展而来的。 四、压力容器设计问题 目前，常规设计是计算电算化、画图电脑化，设计者常常过
分依赖电算，对国家标准理解不深，对数据的推敲理解不够，只 看结果忽视计算过程，容易产生错误结论和安全隐患。
材料化工选用钢材必须考虑设备的设计压力、设计温度、介 质特性、材料的焊接性能、冷热加工性能、热处理以及容器的结 构外，还需考虑经济合理性，不能盲目提高钢板等级。当设计压 力较大、结构尺寸较大时，选用碳素钢做壳体材料不仅会导致设 备壳体壁厚增大、质量增加，还会增加制造运输、安装土建等基 础费用，从而提高工程的总造价。因此，当壳体壁厚超过 8 毫米、 以强度控制为主时，一般优选低合金钢；当设计压力较小、以刚 度控制或结构设计为主时，一般选用普通碳素钢。
根据垫片形式为齿形垫片 ，材质为
查
GB150-1998 表 9-2 y=69.6MPa，m=4.25
3.2.3.2 操作状态下需要的最小垫片压紧力 FP 的计算
3.2.4 螺栓载荷 3.2.4.1 预紧状态下需要的最小螺栓载荷 Wa 的计算 3.2.4.2 操作状态下需要的最小螺栓螺栓载荷 WP 的计算
3.2.4.3 单个螺栓操作状态下需要的最小预紧力 的计算
3.2.5 操作状态下螺栓许用拉应力 W 的计算
t =71.1益 ， 螺 栓 的 许 用 应 力 查 GB150 -1998 表 4 -3
[
，
查《机械零件设计手册》h=2.436mm,
则
螺栓满足使用要求。
3.2.6 紧固扭矩（按操作状态选用）
[ — — —设计温度下螺栓材料的许用应力，Mpa； y— ——垫
片比压，MPa； DG— — —垫片压紧力作用中心圆直径，MPa； 3.2.1 垫片有效密封宽度 b0 的计算 3.2.1.1 垫片接触宽度 N 的计算
3.2.1.2 垫片基本密封宽度 b0 的计算
3.2.1.3 垫片有效宽度 b
当 3.2.2 垫片压紧力作用中心圆直径 DG 计算
3.1.3 预紧比压 y 为预紧（无内压）时，迫使垫片变形与压紧面密合，以形成初 始密封条件，此时垫片所必须的最小压紧载荷，单位 MPa. 3.1.4 垫片系数 m 指操作（有内压）时，达到紧密不漏，垫片上所必须维持的比 压与介质压力的比值。 3.2 扭矩值的计算 若保证法兰连接紧密不漏必须满足两个条件： （1）预紧（无内压）工况：预紧螺栓时，使螺栓力在压紧面与 垫片之间建立起不低于 y 值的比压力。 （2）操作工况：使螺栓力能抵抗内压的作用，并且在垫片表 面上维持 m 倍内压的比压力。 以聚丙烯生产装置 R-251 搅拌釜为例。 计算条件：
五、结语 设计者在设计压力容器时必须参照国家相关规范和最新标 准，遵守行业规范准则，为完成目标任务提出最佳设计方案，不 断分析、不断学习和总结，加强技术经验交流，熟悉各项规范标 准，提高自身业务水平，避免出现原则性错误。 参考文献： [1]丁子荣：《压力容器设计中几个问题的探讨》[J]科技资讯，
2011(17) [2]申长吉：《压力容器设计过程中常见的问题分析》[J]自动
Fa— — — ——预紧状态下需要的最小垫片压紧力，N； h— ——螺 纹工作高度,mm；
Fp— —— — —操作状态下需要的最小垫片压紧力，N； m— ——垫 片系数；
N— ——垫片接触宽度,mm；Pc— — — ——计算压力，MPa； Wp— — —操作状态下需要的最小螺栓载荷，N； t— ——设计 温度，益； Wa— — —预紧状态下需要的最小螺栓载荷，N； W P1— ——单个螺栓操作状态下需要的最小预紧力，N； W— ——操作状态下螺栓许用拉应力，N； A b— ——实际使用的螺栓单个螺栓的面积，mm2； r— ——螺 栓平均半径,mm；
设滑块为螺栓；斜坡为螺母。
T=Wp 式中： T — — —扳手设定扭矩 (螺栓紧固扭矩)，N.m；Wp— — —螺栓轴 向力，N；
Wp— — —螺栓轴向力，N；
— — —扭矩系数；
r— — —螺栓平均半径，m； — ——螺母与螺栓之间的摩擦角 ；
— ——螺栓螺旋升角；p— — —螺距，mm;
— — —螺 栓 与 螺 母 之 间 的 摩 擦 系 数 ， 一 般 取 0.15；
在材料使用的过程中，大多数设计者都会注意到 GB150.22011 附录 D 中关于 GB/T 3274-2007《碳素结构钢和低合金结构 钢热轧厚钢板和钢带》中的 Q235B 和 Q235C 钢板的相关使用规 定：“钢板应进行冷弯试验，冷弯合格标准按 GB/T 700 的规定”、 “容器的设计压力小于 1.6MPa”、“钢板的使用温度：Q235B 钢板
3.2.6.1 螺栓螺旋升角 琢 的计算
查《机械零件设计手册》P=4.5mm,
3.2.6.2 螺栓平均半径 r 的计算 r=(46+41.128)/4=21.782mm 3.2.6.3 扭矩系数
=0.15+0.033=0.183 3.2.6.4 实际操作紧固的扭矩值
R-251 搅拌釜螺栓紧固使用的是“PLARAD”_DEM65TLX 电 动扭矩扳手
化应用，2011(06) [3]马炳贤：《压力容器设计若干技术问题解析》[J]硫磷设计
与粉体工程，2011(06)
取 b0>6.4mm（b0=11.31mm>6.4mm）
DG= D2-2b=2880-2x11.31=2857.38mm
3.2.3 垫片压紧力 FG 的计算
3.2.3.1 预紧状态下需要的最小垫片压紧力 Fa 的计算
参照计算实际选用。
4.电动扭矩扳手使用应注意的几个问题 4.1 高强螺栓的紧固必须分两次进行，第一次为初拧。初拧 紧固到螺栓标准轴力（即设计预拉力）的 60%耀80%，初拧的扭矩 值不得小于终拧扭矩值的 30%。第二次紧固为终拧。为使螺栓群 中所有螺栓均匀受力，初拧、终拧都应严格按紧固顺序操作。按 “米”字型对称操作。 4.2 初拧完毕的螺栓，应做好标记以供确认，为防止漏拧。当 天安装的螺栓，当天应终拧完毕。不得在雨天安装螺栓，且摩擦 面应处于干燥状态。终拧扭矩必须按设定值要求进行。 4.3 对已经设定扭矩的电动扭矩扳手，螺栓从预紧到紧固， 应最少可以旋转 角。已达到所设定扭矩的螺栓，不要再次使 用电动扳手，否则，可能无意识地增大了扭矩，同时也会使螺栓 和电动扳手的负荷增大甚至可能损坏螺栓和扳手。压力容器,若 预紧力太大则会因螺栓拉力太大而断裂或垫片密封失效。 4.4 严格按照电动扭矩扳手操作规程进行操作。每次用完板 手后一定要归零，以免造成弹簧的金属疲劳。应定期校准标定扳 手的扭矩值，其偏差不大于 5%。 4.5 应该注意，电动扳手在工作时，高速齿轮档和低速齿轮 档之间转换不会损坏扳手，但高速齿轮档和低速齿轮档的扭矩 值是不同的。电动扳手在工作时，手要远离反作用力臂。 4.6 假设紧固螺栓的力矩或预紧力很准，但由于外力、温度 变化、振动等因素，一段时间后的预紧力仍会变化，仍须校核。 5.结束语 电动扭矩扳手的正确使用，不仅能有效地保证紧固质量，而 且大大提高了工效。R-251 搅拌釜 88 个 M46 螺栓使用电动扭矩 扳手紧固，初拧用时 1.5 小时，终拧用时 1.5 小时，9 个人工。以往 用人工紧固需 5 小时，20 个人工。使用电动扭矩扳手的效益是显 而易见的。 参考文献： 1《. 钢制压力容器》GB150-1998 中华人民共和国国家标准 国家技术监督局发布 1998-03-20 发布 1998-10-01 实施 2《. 主要生产装置技术资料汇编》 3《. 压力容器工程师设计指南》GB150、GB151 计算手册 李世 玉 桑如包主编 化学工业出版社出版 1994 年 9 月北京第 1 版 4《. 机械零件设计手册》冶金工业出版社 东北工学院机械设 计 机械制图教研室编 1977 年 4 月第三版 5.《理论力学》上册 同济大学理论力学教研室编 高等教育 出版社 1984 年 2 月第 6 版 6《化工容器设计》王志文 主编 化学工业出版社 1990 年 11 月出版
(上接第 32 页)
为 20益~300益；Q235C 钢板为 0益~300益”、“用于容器壳体的钢 板厚度：Q235B 和 Q235C 不大于 16mm；用于其他受压元件的钢 板厚度：Q235B 不大于 30mm，Q235C 不大于 40mm”和“不得用 于毒性程度为极高或高度危害的介质”等要求，但在实际工作设 计中却往往容易忽视。
2013 年第 2 期
定扭矩电动扳手扭矩值的设定及使用
吕淑芬
摘要：定扭矩电动扳手也称为电动扭矩扳手，它能有效提高设备螺栓的紧固质量和施工效率，电动扭矩扳手扭矩 值的设定是螺栓紧固质量的关键，文中对如何确定扭矩值进行了举例计算，并阐述了电动扭矩扳手使用时应注意的几 个问题。
关键词：定扭矩电动扳手 螺栓预紧力 螺栓载荷计算 扭矩值计算 注意的问题
Байду номын сангаас
垫片形式：齿形垫片, 垫片材质：
，螺
栓为：88-M46。
以下是各公式计算符号的意义：
b— — —垫 片 有 效 密 封 宽 度 ,mm；b0— ——垫 片 基 本 密 封 宽 度 , mm；
d— — —螺栓内径,mm； Di— — — ——圆筒、封头内直径，mm； D2— —— — —齿形环外径，mm；D1— — — ——齿形环内径，mm； DG— — — ——垫片压紧力作用中心圆直径，mm； FG— — —垫片压 紧力,N；
1.前言 在石油化工设备中，大部分设备都采用高强螺栓作为紧固 件，特别是各类压力容器对螺栓的紧固有着更严格的要求，因为 它直接影响着生产安全，由于螺栓的紧固问题而发生重大泄露、 爆炸事故的实例数不胜数。过去，使用普通手动扳手，螺栓的紧 固仅凭经验，费时费力，质量很难保证。扭矩扳手的使用，特别是 定扭矩电动扳手，操作方便、省时省力、扭矩可调，不仅能保证紧 固质量，而且大大提高了工效。 2.问题的提出 扭矩扳手又叫力矩扳手、扭力扳手。扭矩可调扳手是扳手的 一种，一般分为两类：电动扭矩扳手和手动扭矩扳手。扭矩扳手 最主要特征就是：可以设定扭矩，并且扭矩可调。扭矩扳手既可 初紧又可终紧，它的使用是先调节扭矩，再紧固螺栓。一般的对 于高强螺栓的紧固都要先初紧再终紧，而且每步都需要有严格 的扭矩要求。设定扭矩值不足，造成设备泄露；设定扭矩值过大， 压坏密封垫片造成泄露，甚至拉坏紧固螺栓，同样威胁设备运行 安全。如何准确设定扭矩值，是保证螺栓紧固质量的关键。下面 以聚丙烯生产装置 R-251 搅拌釜为例，对定扭矩电动扳手扭矩 值进行计算并对使用定扭矩电动扳手应注意的问题予以简要叙 述。 3.电动扭矩扳手扭矩值的计算 3.1 几个概念 3.1.1 扭矩扳手 扭矩扳手是指带扭矩测量机构的拧紧计量器具，用于按预 先确定的扭矩拧紧或拆卸螺栓螺母。扭矩扳手按驱动动力可分 为手动扭矩扳手、气动扭矩扳手、电动扭矩扳手和液压扭矩扳 手。 3.1.2 扭矩 T 与螺栓轴向力 Wp 的关系
(下转第 34 页)
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试技术以及电脑广泛应用的基础之上发展而来的。 四、压力容器设计问题 目前，常规设计是计算电算化、画图电脑化，设计者常常过
分依赖电算，对国家标准理解不深，对数据的推敲理解不够，只 看结果忽视计算过程，容易产生错误结论和安全隐患。
材料化工选用钢材必须考虑设备的设计压力、设计温度、介 质特性、材料的焊接性能、冷热加工性能、热处理以及容器的结 构外，还需考虑经济合理性，不能盲目提高钢板等级。当设计压 力较大、结构尺寸较大时，选用碳素钢做壳体材料不仅会导致设 备壳体壁厚增大、质量增加，还会增加制造运输、安装土建等基 础费用，从而提高工程的总造价。因此，当壳体壁厚超过 8 毫米、 以强度控制为主时，一般优选低合金钢；当设计压力较小、以刚 度控制或结构设计为主时，一般选用普通碳素钢。
根据垫片形式为齿形垫片 ，材质为
查
GB150-1998 表 9-2 y=69.6MPa，m=4.25
3.2.3.2 操作状态下需要的最小垫片压紧力 FP 的计算
3.2.4 螺栓载荷 3.2.4.1 预紧状态下需要的最小螺栓载荷 Wa 的计算 3.2.4.2 操作状态下需要的最小螺栓螺栓载荷 WP 的计算
3.2.4.3 单个螺栓操作状态下需要的最小预紧力 的计算
3.2.5 操作状态下螺栓许用拉应力 W 的计算
t =71.1益 ， 螺 栓 的 许 用 应 力 查 GB150 -1998 表 4 -3
[
，
查《机械零件设计手册》h=2.436mm,
则
螺栓满足使用要求。
3.2.6 紧固扭矩（按操作状态选用）
[ — — —设计温度下螺栓材料的许用应力，Mpa； y— ——垫
片比压，MPa； DG— — —垫片压紧力作用中心圆直径，MPa； 3.2.1 垫片有效密封宽度 b0 的计算 3.2.1.1 垫片接触宽度 N 的计算
3.2.1.2 垫片基本密封宽度 b0 的计算
3.2.1.3 垫片有效宽度 b
当 3.2.2 垫片压紧力作用中心圆直径 DG 计算
3.1.3 预紧比压 y 为预紧（无内压）时，迫使垫片变形与压紧面密合，以形成初 始密封条件，此时垫片所必须的最小压紧载荷，单位 MPa. 3.1.4 垫片系数 m 指操作（有内压）时，达到紧密不漏，垫片上所必须维持的比 压与介质压力的比值。 3.2 扭矩值的计算 若保证法兰连接紧密不漏必须满足两个条件： （1）预紧（无内压）工况：预紧螺栓时，使螺栓力在压紧面与 垫片之间建立起不低于 y 值的比压力。 （2）操作工况：使螺栓力能抵抗内压的作用，并且在垫片表 面上维持 m 倍内压的比压力。 以聚丙烯生产装置 R-251 搅拌釜为例。 计算条件：
五、结语 设计者在设计压力容器时必须参照国家相关规范和最新标 准，遵守行业规范准则，为完成目标任务提出最佳设计方案，不 断分析、不断学习和总结，加强技术经验交流，熟悉各项规范标 准，提高自身业务水平，避免出现原则性错误。 参考文献： [1]丁子荣：《压力容器设计中几个问题的探讨》[J]科技资讯，
2011(17) [2]申长吉：《压力容器设计过程中常见的问题分析》[J]自动
Fa— — — ——预紧状态下需要的最小垫片压紧力，N； h— ——螺 纹工作高度,mm；
Fp— —— — —操作状态下需要的最小垫片压紧力，N； m— ——垫 片系数；
N— ——垫片接触宽度,mm；Pc— — — ——计算压力，MPa； Wp— — —操作状态下需要的最小螺栓载荷，N； t— ——设计 温度，益； Wa— — —预紧状态下需要的最小螺栓载荷，N； W P1— ——单个螺栓操作状态下需要的最小预紧力，N； W— ——操作状态下螺栓许用拉应力，N； A b— ——实际使用的螺栓单个螺栓的面积，mm2； r— ——螺 栓平均半径,mm；
设滑块为螺栓；斜坡为螺母。
T=Wp 式中： T — — —扳手设定扭矩 (螺栓紧固扭矩)，N.m；Wp— — —螺栓轴 向力，N；
Wp— — —螺栓轴向力，N；
— — —扭矩系数；
r— — —螺栓平均半径，m； — ——螺母与螺栓之间的摩擦角 ；
— ——螺栓螺旋升角；p— — —螺距，mm;
— — —螺 栓 与 螺 母 之 间 的 摩 擦 系 数 ， 一 般 取 0.15；
在材料使用的过程中，大多数设计者都会注意到 GB150.22011 附录 D 中关于 GB/T 3274-2007《碳素结构钢和低合金结构 钢热轧厚钢板和钢带》中的 Q235B 和 Q235C 钢板的相关使用规 定：“钢板应进行冷弯试验，冷弯合格标准按 GB/T 700 的规定”、 “容器的设计压力小于 1.6MPa”、“钢板的使用温度：Q235B 钢板
3.2.6.1 螺栓螺旋升角 琢 的计算
查《机械零件设计手册》P=4.5mm,
3.2.6.2 螺栓平均半径 r 的计算 r=(46+41.128)/4=21.782mm 3.2.6.3 扭矩系数
=0.15+0.033=0.183 3.2.6.4 实际操作紧固的扭矩值
R-251 搅拌釜螺栓紧固使用的是“PLARAD”_DEM65TLX 电 动扭矩扳手
化应用，2011(06) [3]马炳贤：《压力容器设计若干技术问题解析》[J]硫磷设计
与粉体工程，2011(06)
取 b0>6.4mm（b0=11.31mm>6.4mm）
DG= D2-2b=2880-2x11.31=2857.38mm
3.2.3 垫片压紧力 FG 的计算
3.2.3.1 预紧状态下需要的最小垫片压紧力 Fa 的计算
参照计算实际选用。
4.电动扭矩扳手使用应注意的几个问题 4.1 高强螺栓的紧固必须分两次进行，第一次为初拧。初拧 紧固到螺栓标准轴力（即设计预拉力）的 60%耀80%，初拧的扭矩 值不得小于终拧扭矩值的 30%。第二次紧固为终拧。为使螺栓群 中所有螺栓均匀受力，初拧、终拧都应严格按紧固顺序操作。按 “米”字型对称操作。 4.2 初拧完毕的螺栓，应做好标记以供确认，为防止漏拧。当 天安装的螺栓，当天应终拧完毕。不得在雨天安装螺栓，且摩擦 面应处于干燥状态。终拧扭矩必须按设定值要求进行。 4.3 对已经设定扭矩的电动扭矩扳手，螺栓从预紧到紧固， 应最少可以旋转 角。已达到所设定扭矩的螺栓，不要再次使 用电动扳手，否则，可能无意识地增大了扭矩，同时也会使螺栓 和电动扳手的负荷增大甚至可能损坏螺栓和扳手。压力容器,若 预紧力太大则会因螺栓拉力太大而断裂或垫片密封失效。 4.4 严格按照电动扭矩扳手操作规程进行操作。每次用完板 手后一定要归零，以免造成弹簧的金属疲劳。应定期校准标定扳 手的扭矩值，其偏差不大于 5%。 4.5 应该注意，电动扳手在工作时，高速齿轮档和低速齿轮 档之间转换不会损坏扳手，但高速齿轮档和低速齿轮档的扭矩 值是不同的。电动扳手在工作时，手要远离反作用力臂。 4.6 假设紧固螺栓的力矩或预紧力很准，但由于外力、温度 变化、振动等因素，一段时间后的预紧力仍会变化，仍须校核。 5.结束语 电动扭矩扳手的正确使用，不仅能有效地保证紧固质量，而 且大大提高了工效。R-251 搅拌釜 88 个 M46 螺栓使用电动扭矩 扳手紧固，初拧用时 1.5 小时，终拧用时 1.5 小时，9 个人工。以往 用人工紧固需 5 小时，20 个人工。使用电动扭矩扳手的效益是显 而易见的。 参考文献： 1《. 钢制压力容器》GB150-1998 中华人民共和国国家标准 国家技术监督局发布 1998-03-20 发布 1998-10-01 实施 2《. 主要生产装置技术资料汇编》 3《. 压力容器工程师设计指南》GB150、GB151 计算手册 李世 玉 桑如包主编 化学工业出版社出版 1994 年 9 月北京第 1 版 4《. 机械零件设计手册》冶金工业出版社 东北工学院机械设 计 机械制图教研室编 1977 年 4 月第三版 5.《理论力学》上册 同济大学理论力学教研室编 高等教育 出版社 1984 年 2 月第 6 版 6《化工容器设计》王志文 主编 化学工业出版社 1990 年 11 月出版
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为 20益~300益；Q235C 钢板为 0益~300益”、“用于容器壳体的钢 板厚度：Q235B 和 Q235C 不大于 16mm；用于其他受压元件的钢 板厚度：Q235B 不大于 30mm，Q235C 不大于 40mm”和“不得用 于毒性程度为极高或高度危害的介质”等要求，但在实际工作设 计中却往往容易忽视。