在帶壓開(kāi)孔工程施工中，管道法蘭之間聯(lián)接使用螺栓來(lái)進(jìn)行緊固。使用螺栓連接管道有裝配簡(jiǎn)單、拆卸方便、效率高和成本低等特點(diǎn)，裝配和安裝的工作按精度等級(jí)分為三類：安全等級(jí)、質(zhì)量等級(jí)、客戶定義等級(jí)。在帶壓開(kāi)孔施工中進(jìn)行螺桿緊固工作時(shí)，我們能夠測(cè)量的指標(biāo)是扭矩T，而我們緊固的目標(biāo)是緊固的零件之間的夾緊力F。

旋轉(zhuǎn)螺母或螺絲使螺桿受力伸長(zhǎng)，螺桿伸長(zhǎng)產(chǎn)生的夾緊力把連接件夾緊，我們需要的就是連接管件或零件的夾緊力。在進(jìn)行螺栓緊固這一個(gè)動(dòng)作，從物理的力學(xué)分析可以得出，緊固螺母的同時(shí)，螺栓向管件施加壓縮的力和管件被壓縮后使螺栓產(chǎn)生拉伸變形的力，這是一對(duì)反作用力，而我們施加的力要克服摩擦力旋轉(zhuǎn)螺母，那么螺桿才會(huì)隨著這種扭矩對(duì)零件進(jìn)行壓縮預(yù)緊。

當(dāng)我們施加的扭矩在螺母上，使螺母進(jìn)行旋轉(zhuǎn)時(shí)，對(duì)扳手施的力F，以及扳手長(zhǎng)度L有著密切關(guān)系。

這種密切關(guān)系可以用力矩來(lái)表示，它是力對(duì)物體作用時(shí)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)的物理量。力和力臂的乘積為力矩。力矩是矢量，因此，力矩既有大小也有方向。力對(duì)某一點(diǎn)的力矩的大小為該點(diǎn)到力的作用線所引垂線的長(zhǎng)度（即力臂）乘以力的大小，其方向則垂直于垂線和力所構(gòu)成的平面用右手螺旋法則來(lái)確定。在國(guó)際單位制中，力矩的單位是牛頓·米。常用的單位還有千克力·米等。

通常情況下，在螺栓的擰緊過(guò)程中，實(shí)際轉(zhuǎn)化為螺栓夾緊力的扭矩僅占10%，其余50%用于克服螺栓頭下的摩擦力，40%用于克服螺紋副中的摩擦力，這就是“541”規(guī)則，主要反映夾緊力與摩擦力之間的關(guān)系。但若施加一定的改善措施（如涂抹潤(rùn)滑油）或螺紋副中存有缺陷（如雜質(zhì)、磕碰等），該比例關(guān)系會(huì)受到不同影響而改變。

一、螺栓連接件特性

帶壓開(kāi)孔的管道法蘭擰緊過(guò)程的主要變量：

1. 扭矩(T)：所施加的擰緊動(dòng)力矩,單位牛米(Nm)；

2. 夾緊力(F)：連接體間的實(shí)際軸向夾(壓)緊大小，單位牛(N)；

3. 摩擦系數(shù)(U)：螺栓頭、螺紋副中等所消耗的扭矩系數(shù)；

4. 轉(zhuǎn)角(A)：基于一定的扭矩作用下，使螺栓再產(chǎn)生一定的軸向伸長(zhǎng)量或管道法蘭被壓縮而需要轉(zhuǎn)過(guò)的螺紋角度。

二、螺栓擰緊的結(jié)果

Q₀=MK_td×10-3

其中：

Q₀—預(yù)緊力，N

M —力矩，N·m

K_t—計(jì)算系數(shù)

d — 螺栓的公稱直徑，mm

計(jì)算系數(shù) Kt與螺紋表面、法蘭的粗糙度、潤(rùn)滑狀況、擰緊速度、所用擰緊工具以及反復(fù)擰緊時(shí)的溫度變化有關(guān)，通常在 0.1~0.3 之間變化。Kt的變化將導(dǎo)致預(yù)緊力 Q0也發(fā)生較大變化，變化范圍大約在 40%左右。由計(jì)算公式可以看出，力矩與夾緊力呈正比關(guān)系。

假設(shè)管道開(kāi)孔施工中，螺母固定，擰緊螺栓，忽略摩擦力及管道法蘭件的變形，螺栓從開(kāi)始旋入螺母，到其下端面接觸被聯(lián)接連接件，這個(gè)過(guò)程螺栓不受力，驅(qū)動(dòng)力矩為零。隨著螺栓的繼續(xù)旋入，螺栓開(kāi)始接觸到被管道法蘭，并對(duì)管道法蘭產(chǎn)生夾緊力，同時(shí)也受到來(lái)自于管道法蘭的反作用力，由于忽略了管道法蘭的變形，所以這個(gè)過(guò)程中的螺栓等效于一個(gè)在被逐漸拉伸的桿件。根據(jù)材料力學(xué)的知識(shí)，可以繪出拉力與伸長(zhǎng)量的曲線?？紤]螺紋連接的特殊性，力矩可以反映出夾緊力， 而且螺栓每旋入螺母一圈（360°），螺栓端面與螺母下端面之間的距離減少一個(gè)螺距，所以可以用螺栓旋轉(zhuǎn)的角度來(lái)衡量螺栓的軸向伸長(zhǎng)量。這樣螺桿逐漸被旋緊到管道法蘭的過(guò)程，整個(gè)過(guò)程中力矩為零；螺桿端面與管道法蘭的貼合點(diǎn)，從這一點(diǎn)開(kāi)始，力矩隨轉(zhuǎn)角的增加而線性增大；螺桿逐漸被擰緊的彈性變形，而螺桿的屈服點(diǎn)之后，螺桿發(fā)生塑性變形，螺桿長(zhǎng)度顯著增長(zhǎng)，力矩隨轉(zhuǎn)角增加的幅度變小，并在到達(dá)一定位置時(shí)，開(kāi)始隨轉(zhuǎn)角的增加而減小，直到螺桿斷裂。

而在實(shí)際的帶壓開(kāi)孔施工中，摩擦及管道法蘭的變形是客觀存在的。在螺栓裝配的起始階段，由于此時(shí)螺栓端面尚未接觸到管道法蘭面，所以擰緊螺栓的轉(zhuǎn)矩，只是用來(lái)克服螺紋副之間的摩擦力。隨著螺栓的不斷旋入，螺桿逐漸與被管道法蘭面接觸，此時(shí)的驅(qū)動(dòng)力矩一方面要克服螺紋副中的摩擦力，同時(shí)還要克服來(lái)自于螺栓下端面與被管道法蘭之間的摩擦力及對(duì)管道法蘭產(chǎn)生夾緊力。對(duì)于不同的擰緊驅(qū)動(dòng)力矩中，用于夾緊力的部分比例是不變的（大約 10%），所以，實(shí)際的擰緊曲線與理論曲線的形狀基本一致，只是起始力矩不為 0。