螺栓很少单独使用，而是成组使用，如：法兰螺栓组。法兰是一种最为通用的管路连接方式，其中往往带有密封垫圈。法兰密封很重要，首要要求就是法兰螺栓组中的各个螺栓，其螺栓预紧力应尽量一致，否则如果法兰螺栓组螺栓相差比较大。

    除了标准的法兰螺栓紧固次序（遵从ASME PCC-1标准），其螺栓的紧固工艺，施加的力矩值的确定，应该通过超声螺栓预紧力测量的方法，进行两种试验验证，以确定紧固螺栓的力矩值：

1、密封垫圈的材质不同，会影响相同力矩条件下螺栓预紧力的大小；

2、因为密封垫圈蠕变特性的不同，会影响法兰最终工作时螺栓预紧力的大小。

    综合以上两类试验的试验结果，最终确定紧固法兰的力矩值。

    后面以北京艾法斯特公司使用超声螺栓预紧力测量仪在北京理工大学机械与车辆学院丁晓宇老师处对法兰螺栓组紧固工艺做的探索实验（非常感谢丁晓宇老师为我们提供的法兰盘、螺栓和那么温馨的试验操作环境，同时还有那么有力气的力矩施加者-李天雷同学。丁晓宇老师的研究方向之一是螺栓副、管街头的动、静载荷下的仿真，大家有此方面需求）。

一、试验对象

1、法兰盘上的螺栓组，螺栓带有编号，以方便进行测量和分析。

2、4种材质的垫片，分别为：PTFE垫片、石棉垫片、橡胶垫片、45号钢缠绕垫片。

二、试验步骤

本试验采用ASME PCC-1关于管法兰螺栓紧固次序的指导；螺栓紧固次序分为两种（螺栓编号，见上图），分别为：

对角紧固次序1：1-5-3-7-2-6-4-8；

顺序紧固次序2：1-2-3-4-5-6-7-8；

由于试验条件所限，最大螺栓紧固力矩设定为60Nm；对于不同垫片，紧固流程为：

1、20Nm（33%），对角紧固次序1；

2、40Nm（66%），对角紧固次序1；

3、60Nm（100%），对角紧固次序1；

4、测量螺栓预紧力；

5、等待5分钟，测量螺栓预紧力；

6、复拧，60Nm（100%），顺序紧固次序2；

7、测量螺栓预紧力；

8、等待5分钟，测量螺栓预紧力；

其中，蠕变松弛的计算公式为：

Creep Relaxation=(Σ bolt preload-Σ bolt preload（dwell time）)/(Σ bolt preload)

在此试验中，dwell time为5分钟或35分钟。

三、试验数据及分析

上图中，X轴为法兰周向离散螺栓编号；Y轴为螺栓预紧力。

细心的童鞋可能会发现几个问题：

1、怎么在20NM和40NM第6号螺栓预紧力出现了负值呢？原因是这样的：超声螺栓预紧力测量方法是以螺杆的伸长量为依据的，当法兰螺栓在紧固的时候，由于弹性相互作用，螺栓组的螺栓之间会出现Cross Talk的现象（就是拧一颗螺栓的时候，另外一颗螺栓会受到影响；Cross Talk也是相声的意思，可以理解为两个螺栓为小岳岳和孙悦，两人互相调侃，互相影响）；这个时候，一颗螺栓弯曲了，反映在螺栓伸长量上就是变短了，即：受到了弯矩的作用变弯了。（关于使用超声螺栓预紧力测量法，通过标定的方式测量动态弯矩，我们会在后面的一篇文章中专门讨论。）

2、60NM的复拧怎么让8根螺栓的预紧力趋于一致了呢？根据ASME PCC-1标准，在100%力矩施加的24小时之后，要进行顺时针100%力矩的复拧；其重要性有两个方面：a）碾平螺栓组的螺栓预紧力之间的差别；b）继续压缩密封垫圈这种具有强烈蠕变特点的材料，使得其密封效果更好。我曾读过一篇文章，讲的是航天飞机一个注入液体燃料的法兰出现了泄漏，距离发射时间还有一天，如果紧固这个法兰螺栓组要遵从ASME PCC-1的等待24小时后复拧，那航天飞机还飞不飞啊？当时，总指挥一声令下，管tnd呢，4小时后复拧，该飞就飞，但是发射总指挥在事后命令要求，专门针对此事做试验，看看4小时复拧对最终的法兰密封的特性进行评估，最终的结论是：不错，没问题哈。

本试验，应丁晓宇老师的要求，还要研究相同紧固工艺条件下，不同密封垫圈的密封特点，如下表：

针对上表解释一下：

1、表中的平均值指的是：法兰8根螺栓预紧力累加，最后再除以8。发现平均螺栓预紧力的大小和垫片的弹性模量成正比，所以弹性模量最大的45号钢垫圈螺栓预紧力最大，而最软的橡胶最小。

2、表中的方差指的是：法兰8根螺栓预紧力的差别。发现和密封垫圈的表面粗糙度相关，越光溜的垫圈方差越小，所以最光溜的PTFE（铁氟龙）螺栓之间预紧力差异最小，而45号钢缠绕型垫圈，差异最大，长得和一盘蚊香似的，也不奇怪了。

3、5分钟蠕变指的是：被夹持物中存在强烈蠕变特性的材料，其在压力作用下，会逐渐被压缩，导致螺杆变短，螺栓预紧力下降，而这种蠕变特性可以用螺栓预紧力来进行定量衡量（那么是不是超声螺栓预紧力可以当作一种研究材料蠕变特性的仪器呢？）。从数据中，我们发现蠕变特性应该和（强烈猜测）蠕变材料（有机物）中的分子链的交联程度有关系，所以PTFE的蠕变最多（因为铁氟龙中分子链没有交联，查过资料，但不准确，如果有学高分子的童鞋，大家可以一起讨论一下）。