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0 引言

由螺栓、墊片連接的法蘭接頭是壓力容器、管道和閥門廣泛使用和必不可少的可拆連接形式。作為壓力容器中最重要的承壓部件之一，法蘭接頭的合理設計對于整個壓力容器的設計有著舉足輕重的作用[1-3]。螺栓法蘭連接接頭的失效模式既有強度不足導致的失效；又有由于密封問題引起的泄漏失效。傳統(tǒng)的法蘭設計方法(Taylor-Waters法[4])，主要是以強度失效模式為基礎的設計方法，而對于泄漏失效的考慮略顯不足。為了解決泄漏失效的問題，業(yè)內(nèi)工程師們一直在從設計、安裝、材料等多方面進行研究。

美國機械工程師學會發(fā)布的ASME PCC-1《壓力邊界螺栓法蘭連接安裝指南》[5]就是一個從多方面考慮、以減少法蘭接頭泄漏的指導標準。該標準已被美國石油協(xié)會標準API 660—2015[6]及殼牌、美孚等國際工程公司的工程規(guī)范引用，成為諸多項目中必須遵循的標準。目前國內(nèi)尚未正式發(fā)布此類標準。雖然ASME PCC-1是主要針對法蘭安裝的指導標準，但其附錄O給出了安裝螺栓載荷及面積的確定方法。安裝所需要的螺栓面積作為實際的螺栓參數(shù)影響著法蘭的設計。對于法蘭的設計引入了WRC 538[7]標準。API 660和某些工程規(guī)范規(guī)定了計算所需的墊片、螺栓參數(shù)。這些標準相互關聯(lián)就形成了一整套對法蘭接頭的新的設計方法。

無論采用哪種方法進行法蘭設計，螺栓載荷及面積的計算都是法蘭設計的基礎。本文就上述兩種方法中螺栓載荷的計算進行分析，并用實例計算來進行對比。

1 Taylor-Waters法螺栓載荷計算方法

Taylor-Waters法是美國Taylor Forge公司與學者Waters 在1938年提出的螺栓和墊片連接的法蘭設計方法，至今仍被包括美國ASME B&PV Code Ⅷ-1[8]、歐盟EN 13445.3[9]、我國GB/T 150.3[10]在內(nèi)的世界各國主流壓力容器標準采用，作為非標法蘭的設計方法。Taylor-Waters法是以設計壓力P、墊片系數(shù)m、墊片比壓力y、有效密封寬度b等為條件，通過分別計算預緊狀態(tài)和操作狀態(tài)下墊片所需的壓緊力，從而算出所需的螺栓載荷和面積，進而以螺栓載荷校核法蘭本體強度的設計方法。

一方面，墊片系數(shù)m和墊片比壓力y是按照 Taylor-Waters法進行螺栓載荷計算和保證法蘭密封性能的關鍵。然而，標準中提供的m，y值也都是經(jīng)驗值，并非任何情況下都是可靠的[11]。GB/T 150.3—2011表7-2中就明確說明：“本標準所列各種墊片的m，y值及適用的壓緊面形狀，均屬推薦性資料。采用本表推薦的墊片參數(shù)(m，y)并按本章規(guī)定設計的法蘭，在一般適用條件下，通常能得到比較滿意的使用效果。但在使用條件特別苛刻的場合，參數(shù)m，y應根據(jù)成熟的使用經(jīng)驗謹慎確定”, 而且至今各國標準都未能明確給出聚四氟乙烯墊、齒形復合墊等常用墊片的m值和y值。這對很多法蘭的設計造成了較大的困擾。

另一方面，經(jīng)過多年的實踐檢驗，按照Taylor-Waters法和標準推薦的墊片系數(shù)和比壓力設計的法蘭接頭，在通常情況下是滿足使用要求的。Taylor-Waters法仍是各國壓力容器設計標準所采用的法蘭設計方法。

2 ASME PCC-1螺栓安裝載荷計算方法

1995年，ASME 的壓力技術規(guī)范和標準部成立了后建造委員會(Post Construction Committee)[12]，簡稱PCC。2000年，PCC 首次發(fā)布了ASME PCC-1《壓力邊界螺栓法蘭連接安裝指南》，2010 年又頒布了修訂版。目前最新版本為2013版。ASME PCC-1—2013版指南的內(nèi)容包括16章正文和16個附錄，其中附錄O詳細給出了確定安裝螺栓載荷的方法。簡述如下:(1)根據(jù)墊片的材料和型式，選定墊片在操作狀態(tài)下和預緊狀態(tài)下所需的最小壓應力，以及墊片能承受不致壓潰的最大壓應力;(2)根據(jù)螺栓的材料得到螺栓允許的最高和最低應力(根據(jù)API 660 通常取螺栓常溫屈服值的70% 和40%);(3)根據(jù)墊片廠家的推薦值，設定墊片的目標預緊應力;(4)通過具體的墊片尺寸和目標預緊應力，核算出合理的螺栓安裝載荷;該載荷應使螺栓應力在允許的最高和最低應力之間，且該安裝載荷應滿足墊片在操作和預緊狀態(tài)下的最低應力要求，并低于墊片允許的最高應力值。

從上述過程可以看出，ASME PCC-1螺栓載荷和面積的計算模型與Taylor-Waters法基本相同。都是考慮預緊和操作兩種工況下對墊片的壓緊力，進而根據(jù)螺栓的許用應力推算出所需的螺栓面積。

3 ASME PCC-1與Taylor-Waters法螺栓載荷計算對比

為了更具體地對比兩種計算方法，以常見的纏繞墊為例,選取NB/T 47025—2012[13]中的兩組參數(shù)。第1組為DN1000的墊片在不同壓力等級下的參數(shù)。第2組為2.5MPa公稱壓力的墊片在不同的公稱直徑下的參數(shù)。對上述兩組墊片，按照兩種方法分別計算出所需要的螺栓面積。第1組墊片需要螺栓面積的計算見表1，計算結果擬合曲線見圖1。第2組墊片需要螺栓面積的計算方法與表1相同，本文省略計算表格，僅給出計算結果的擬合曲線，見圖2。

表1 不同壓力等級下需要螺栓面積計算

①根據(jù)API 660—2015中7.8.2條，螺栓最大允許應力為常溫屈服強度的70%；②根據(jù)API 660—2015中7.8.4條Table 3；③根據(jù)GB/T 150.3—2011中表7-2；④根據(jù)GB/T 150.2—2011中表12，設計溫度以200 ℃為例

圖1 不同壓力下需要的螺栓面積

圖2 不同公稱直徑下需要的螺栓面積

兩種計算方法對比結果如下。

(1)按照ASME PCC-1計算所需的螺栓安裝截面積遠大于按照Taylor-Waters法計算所需的螺栓截面積，前者所需的螺栓面積約為后者所需螺栓面積的2倍。

(2)在相同公稱直徑的情況下，隨著壓力的升高，兩種方法算得的螺栓面積比值在下降，當設計壓力為6.4 MPa時，比值僅為1.16。

(3)在相同設計壓力的情況下，隨著法蘭公稱直徑的增大，兩種方法算得的螺栓面積比值在下降。

形成上述結果的原因主要有以下幾個方面。

(1)ASME PCC-1以墊片在預緊和操作工況下需要的最小應力代替了Taylor-Waters法中的墊片系數(shù)和墊片比壓力；

(2)Taylor-Waters法考慮的墊片壓緊面積約為整個墊片面積的一半，而ASME PCC-1考慮的墊片壓緊面積為整個墊片的壓緊面積；

(3)Taylor-Waters法考慮螺栓在預緊和操作工況下的應力分別為常溫和設計溫度下的許用應力，其值僅約為常溫屈服強度的1/3和1/4，ASME PCC-1考慮的最大螺栓應力約為常溫屈服強度的70%。

4 結語

通過對比分析可以看出，ASME PCC-1與GB/T 150.3—2011中(Taylor-Waters法)螺栓載荷計算模型基本一致。但按照ASME PCC-1算得的需要螺栓面積遠大于Taylor-Waters法算得的面積。對于法蘭的設計而言，螺栓載荷與面積是后續(xù)設計的基礎，更大的螺栓面積意味著更大的螺栓分布圓直徑和法蘭外徑；更大的螺栓載荷意味著更大的法蘭力矩和法蘭厚度。法蘭厚度等的增加可以提高法蘭的剛度、減小變形。較大的螺栓面積能夠提供更大的螺栓預緊力。這些對于提高法蘭接頭的強度和密封性能是有益的，但也將顯著增加材料、加工等成本。

從安全性和經(jīng)濟性兩方面考慮。在一般的使用條件下，按照Taylor-Waters法進行法蘭設計仍是較優(yōu)的選擇；按照ASME PCC-1及API 660等標準給出的墊片參數(shù)設計較為保守，經(jīng)濟性較差。在條件特別苛刻的場合或所用墊片系數(shù)m和比壓力y數(shù)據(jù)的使用經(jīng)驗不足時，按照ASME PCC-1方法計算需要的螺栓載荷和面積，可以作為Taylor-Waters法的補充和參考。通過適當提高螺栓載荷和面積裕量增強法蘭接頭的安全性。

綜上所述，筆者認為ASME PCC-1是螺栓連接的法蘭安裝指南，并非先進的法蘭設計規(guī)范。其中關于螺栓安裝載荷和截面積的計算模型較為簡單。其實質(zhì)就是通過提高墊片在操作和預緊工況下的最小應力值，從而加大了需要的螺栓面積，進而對法蘭的強度設計提出了更高的要求，這也是按照ASME PCC-1標準能夠減少法蘭接頭泄漏的主要原因之一。