楊建良，楊湖

（無(wú)錫化工裝備股份有限公司，江蘇 無(wú)錫 214131）

盡管傳統(tǒng)的法蘭設(shè)計(jì)方法即Waters 法被大多數(shù)壓力容器建造規(guī)范所引用，而且歷經(jīng)半個(gè)多世紀(jì)的工程實(shí)踐也表明絕大多數(shù)按照該方法設(shè)計(jì)的法蘭沒(méi)有因強(qiáng)度問(wèn)題而發(fā)生明顯泄漏的情況。但是由于以下幾方面的原因，少數(shù)按照傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)的螺栓法蘭接頭發(fā)生了泄漏。

首先，傳統(tǒng)的法蘭設(shè)計(jì)方法僅考慮用墊片系數(shù)m和墊片密封比壓力y來(lái)設(shè)計(jì)法蘭，而m和y值是基于實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和某些試驗(yàn)得到的，缺乏理論依據(jù)。單純的墊片系數(shù)和比壓力不能夠全面反映墊片的密封性能。

其次，傳統(tǒng)的法蘭設(shè)計(jì)無(wú)法確切得到法蘭達(dá)到實(shí)際密封時(shí)所需的螺栓載荷。按其計(jì)算得到的螺栓載荷僅僅用于確定螺栓的規(guī)格大小和法蘭的結(jié)構(gòu)尺寸[1]。計(jì)算得到的螺栓載荷通常與安裝時(shí)所需要的實(shí)際螺栓載荷不一致。壓力容器的操作存在波動(dòng)，螺栓載荷的不足或過(guò)大會(huì)導(dǎo)致在實(shí)際操作過(guò)程中螺栓法蘭接頭出現(xiàn)泄漏。

再次，盡管ASME 委員會(huì)在2007 年正式將法蘭剛度計(jì)算引入規(guī)范強(qiáng)制性附錄中，但是這一剛度準(zhǔn)則是基于在設(shè)計(jì)和操作工況下用戶的經(jīng)驗(yàn)得到的，僅作為螺栓法蘭接頭設(shè)計(jì)和安裝提供密封的一種保證，不能確保泄漏率在允許的范圍內(nèi)。

鑒于以上幾方面原因，國(guó)際上的一些工程規(guī)范從ASME PCC-1 2010 版發(fā)布之后起就開(kāi)始將其引入到工程實(shí)踐中。API 660—2015 版更是將其收錄其中，供工程公司和業(yè)主選用。此要求一旦被工程公司或業(yè)主選定，則在法蘭設(shè)計(jì)中需要嚴(yán)格執(zhí)行。

1 ASME PCC-1和WRC 538

ASME PCC-1 是美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)為確保壓力容器中的螺栓法蘭連接接頭不出現(xiàn)泄漏失效而編寫(xiě)的指導(dǎo)性技術(shù)文件[2]，適用于帶環(huán)形墊片的壓力邊界法蘭接頭，這些墊片完全在由螺栓孔圍成的圓圈內(nèi)，并且在圓圈外沒(méi)有接觸，即我們通常所說(shuō)的窄面墊片。ASME PCC-1 目前的版本是2019 版。

ASME PCC-1 分為正文和附錄兩個(gè)部分。正文部分是對(duì)裝配螺栓法蘭接頭的整個(gè)過(guò)程中所涉及的檢查、校驗(yàn)、安裝、拆卸等方面提出的具體要求。附錄部分則是對(duì)正文內(nèi)容的進(jìn)一步補(bǔ)充，正文部分中所提及的檢驗(yàn)、安裝、拆卸等要求的合格指標(biāo)則在附錄部分詳細(xì)說(shuō)明[3]。ASME PCC-1 2019 版一共有17 個(gè)附錄，其中附錄O 是確定螺栓裝配應(yīng)力，對(duì)控制法蘭泄漏，指導(dǎo)法蘭設(shè)計(jì)有著重要意義。附錄O 旨在為確定適當(dāng)?shù)难b配螺栓應(yīng)力提供指導(dǎo)，并適當(dāng)考慮接頭的完整性。

壓力容器和管道中螺栓法蘭連接處的泄漏常常是由于螺栓預(yù)緊不當(dāng)或不充分造成的。ASME PCC-1附錄O 在確保承壓設(shè)備中螺栓法蘭接頭完整性方面邁出了一大步。經(jīng)過(guò)相關(guān)研究人員若干年的努力，得到了確保密封可靠性相關(guān)方面的記錄。這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，得益于WRC 壓力容器研究委員會(huì)組織的一項(xiàng)由Warren Brown 領(lǐng)導(dǎo)的研究。這一研究的目的是為了獲取評(píng)估和支持ASME PCC-1 附錄O 中所含程序所需的技術(shù)。

ASME PCC-1 附錄O 用于確定壓力邊界接頭裝配螺栓荷載發(fā)展始于2005 年初，是Chevron 公司在管道接頭上法蘭過(guò)度變形（法蘭旋轉(zhuǎn)）現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)的直接結(jié)果。該方法建立在Warren Brown 先前工作的基礎(chǔ)上，在選擇適當(dāng)?shù)难b配螺栓載荷時(shí)考慮了適當(dāng)?shù)膲|片應(yīng)力極限。這項(xiàng)工作僅考慮了墊片和螺栓的限制，而忽略了法蘭作為限制因素的可能性。盡管這種方法在大多數(shù)情況下都有效，但人們發(fā)現(xiàn)，在某些情況下，法蘭會(huì)產(chǎn)生過(guò)度變形，從而引發(fā)一個(gè)問(wèn)題，即整個(gè)接頭（包括法蘭）的適當(dāng)極限應(yīng)為多少。

這導(dǎo)致Warren Brown 在此之后進(jìn)行了一系列研究，最終的研究成果形成了WRC 538 公報(bào)。

WRC 538 公報(bào)記錄了ASME PCC-1 附錄O“確定裝配螺栓應(yīng)力”方法的發(fā)展。它提供了方法開(kāi)發(fā)過(guò)程中所引用到的參考文獻(xiàn)，并提供額外的細(xì)節(jié)來(lái)幫助理解和發(fā)展該方法。

WRC 538 公報(bào)提供了歷史發(fā)展文章的參考資料、解釋了該方法的基礎(chǔ)理論、如何應(yīng)用ASME 規(guī)范公式來(lái)確定法蘭極限的步驟指南，以及對(duì)其中提出的彈塑性有限元分析（FEA）方法的說(shuō)明。

由此可見(jiàn)，在應(yīng)用ASME PCC-1 附錄O 設(shè)計(jì)法蘭的同時(shí)，需要理解運(yùn)用WRC 538 公報(bào)。這兩者相輔相成，缺一不可。

2 ASME PCC-1 附錄O 計(jì)算步驟

ASME PCC-1 附錄O 提供了確定安裝螺栓應(yīng)力的兩種計(jì)算方法： （1）簡(jiǎn)易方法。這種方法便于應(yīng)用，但法蘭連接的個(gè)別元件可能發(fā)生損壞；（2）較復(fù)雜的、基于連接各元件的完整性方法即接頭元件法。

接頭元件法充分考慮了法蘭接頭中各個(gè)元件的極限承載能力、保證密封需要的墊片應(yīng)力、所有操作載荷和墊片松弛等情況，既能保證法蘭結(jié)構(gòu)的完整性，又能控制法蘭接頭密封性。但是運(yùn)用接頭元件法需要通過(guò)試驗(yàn)或者從墊片廠商處獲得一些計(jì)算上所需的完整信息[4]。

鑒于工程設(shè)計(jì)中都是考慮完整的螺栓法蘭接頭，故下文僅敘述接頭元件法的計(jì)算步驟。

按接頭元件法確定安裝螺栓應(yīng)力分為8 個(gè)步驟，如下：

3 注意事項(xiàng)

執(zhí)行ASME PCC-1 附錄O 計(jì)算，有以下這些方面需要注意。

（1）最小允許螺栓應(yīng)力值Sbmin取常溫下的螺栓材料屈服強(qiáng)度的40%。

（2）最大允許螺栓應(yīng)力值Sbmax取常溫下的螺栓材料屈服強(qiáng)度的70%。

（3）安裝墊片的應(yīng)力取值按照API 660 表3。

（4）對(duì)于多管程的換熱器，墊片面積的計(jì)算需要考慮墊片隔筋的面積。工程實(shí)踐上的做法是至少考慮一半的墊片隔筋面積。

（5）對(duì)于管板兩側(cè)成對(duì)法蘭的設(shè)計(jì)壓力應(yīng)考慮可能出現(xiàn)的最大壓差，以此最大壓差作為Pmax進(jìn)行計(jì)算。

（6）管板兩側(cè)成對(duì)法蘭的目標(biāo)螺栓應(yīng)力Sbsel值應(yīng)是同一值。對(duì)于殼程側(cè)的法蘭，由于墊片沒(méi)有隔筋，墊片面積要小于管程側(cè)墊片的面積，容易造成設(shè)計(jì)人員對(duì)Sbsel取值不一樣。

（7）確定步驟8 中法蘭旋轉(zhuǎn)極限的Sfmax值需要引用WRC 538 中的公式法，將螺栓的安裝應(yīng)力逐漸增加，直至按公式法修正后的法蘭應(yīng)力有一項(xiàng)超過(guò)公式法的合格指標(biāo)為止；

（8）法蘭達(dá)到旋轉(zhuǎn)極限產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)角θf(wàn)max可以按照法蘭剛度計(jì)算公式確定；

（9）按WRC 538 計(jì)算修正后的法蘭應(yīng)力所用的彎矩要考慮全螺栓載荷；

（10）由于在高溫操作條件下不銹鋼法蘭的屈服強(qiáng)度會(huì)明顯降低，故在確定不銹鋼法蘭的旋轉(zhuǎn)極限時(shí)應(yīng)按屈服強(qiáng)度比值減小[5]，即S'fmax=Sfmax（Syo/Sya）；

（11）WRC 538 公式法確定法蘭旋轉(zhuǎn)極限只適用于帶頸對(duì)焊法蘭，其他型式的法蘭需要采用彈塑性有限元分析方法來(lái)確定法蘭旋轉(zhuǎn)極限。

（12）只有外部法蘭接頭需要考慮ASME PCC-1附錄O 計(jì)算[6]，對(duì)于浮頭法蘭并不適用。浮頭法蘭是否需要執(zhí)行附錄O 計(jì)算，需要與工程公司或業(yè)主提前確認(rèn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

考慮ASME PCC-1 附錄O 計(jì)算是為了避免螺栓法蘭接頭出現(xiàn)泄漏。螺栓法蘭接頭必須達(dá)到螺栓安裝應(yīng)力水平，以提供足夠的應(yīng)力來(lái)固定墊片。安裝墊片應(yīng)力應(yīng)足夠大，最好能夠達(dá)到墊片允許應(yīng)力的上限，防止在操作條件下墊片出現(xiàn)應(yīng)力松弛[7]。

執(zhí)行ASME PCC-1 附錄O 計(jì)算的法蘭明顯會(huì)比按規(guī)范[8]設(shè)計(jì)的法蘭要笨重，螺栓明顯要粗。壓力容器的建造成本會(huì)比僅按規(guī)范設(shè)計(jì)法蘭的成本要高。這就需要設(shè)計(jì)人員在項(xiàng)目開(kāi)始階段認(rèn)真閱讀項(xiàng)目規(guī)范，確定法蘭設(shè)計(jì)是否需要考慮ASME PCC-1 附錄O 計(jì)算，避免返工，重復(fù)勞動(dòng)。

在項(xiàng)目招標(biāo)階段，工程技術(shù)人員要落實(shí)項(xiàng)目有無(wú)此要求，這影響到造價(jià)成本，避免造成一些不必要的損失。由于執(zhí)行ASME PCC-1 附錄O 的計(jì)算同時(shí)需要結(jié)合WRC 538，反復(fù)迭代，過(guò)程繁瑣。而法蘭旋轉(zhuǎn)極限降低系數(shù)（Syo/Sya） ＜1.25φg[9-11]，φg取值為0.7，故筆者建議在招標(biāo)階段法蘭的設(shè)計(jì)考慮采用法蘭材料在設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力值的88%，從而彌補(bǔ)由于未考慮ASME PCC-1 附錄O 計(jì)算所造成的損失。

此外，API 660 僅規(guī)定設(shè)備法蘭的設(shè)計(jì)需要考慮ASME PCC-1 附錄O 的計(jì)算，而對(duì)于延長(zhǎng)部分兼做法蘭的固定式管板和T 型浮動(dòng)管板沒(méi)有提及如何處理?；谏鲜鐾瑯釉?，筆者建議降低這兩種管板的許用應(yīng)力，計(jì)算時(shí)考慮其設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力值的88%。