劉 宇

(南通賽孚機械設備有限公司，江蘇南通，226500)

壓力容器產品的試驗壓力高于設計壓力，一般約為1.25倍設計壓力[1]，如試驗壓力需要高于標準中的規(guī)定值時，在耐壓試驗前應校核各受壓元件在試驗條件下的應力水平。但標準中并未明確試壓工況下受壓元件應力的具體校核方法。

提高耐壓試驗壓力的情況一般包括：

(1)立式容器采用臥置進行液壓試驗時，試驗壓力應計入立置試驗時的液柱靜壓力。應注意到：當容器很長時有可能導致容器頂部殼體厚度不足，需要校核。

(2)工作條件下內裝介質的液柱靜壓力大于液壓試驗的液柱靜壓力時，應考慮相應增加試驗壓力。

(3)帶有安全閥、爆破片等超壓泄放裝置的壓力容器，如果設計時提出氣密性泄漏試驗要求，則設計者應當給出該壓力容器的最高允許工作壓力。這時應以最高允許工作壓力代替設計壓力計算確定試驗壓力。

(4)對于兩腔壓力容器，如“某一腔”是正壓，隔壁“另一腔”是真空，則“某一腔”的試驗壓力至少應該是1.25倍容器兩腔疊加危險工況時“公用元件”的計算壓力(如必要還應計入液柱靜壓力)。

(5)在換熱器設計中，當管程設計壓力高于殼程設計壓力時，在結構允許條件下，可以適當提高殼程試驗壓力，或者直接提高殼程設計壓力，甚至使得殼程試驗壓力直至等于管程試驗壓力，以便更方便、直觀檢查管板和換熱管之間焊接接頭的質量，同時應校核殼程其他元件在此試驗壓力下的強度及密封性能。

(6)對于設計壓力較低的容器，由于最小厚度的要求、負偏差、腐蝕裕量、計算圓整量的存在，往往使得殼體的名義厚度遠遠大于計算厚度；或者是對于不計覆層材料或堆焊材料強度的復合板容器，由于復合板總厚度大于僅考慮基層材料的計算厚度，從而導致按標準計算的試驗壓力下殼體應力水平遠低于壓力試驗所預期的應力水平，難以達到通過“超壓”檢驗整體質量的目的。

法蘭是壓力容器產品中普遍使用的一種承壓元件。法蘭的設計和選用不僅要滿足設計壓力、設計溫度等設計條件(參數(shù))的要求，還需要考慮壓力試驗工況下的應力校核問題。由于產品的水壓試驗壓力高于設計壓力，不經壓力試驗工況應力校核過的法蘭，在容器打壓時容易出現(xiàn)變形、泄露等問題，從而導致法蘭的報廢和壓力試驗的失敗。本文根據(jù)法蘭的設計原理，結合工程實例，闡述了一種在試壓工況下對法蘭應力的校核方法。

1 法蘭的計算原理

法蘭在法蘭力矩作用下，由組成法蘭的法蘭環(huán)、錐頸和圓筒三部分共同承載。為此在它們的連接邊界上分別作用有橫剪力Q1、Q2及彎矩M、M(以法蘭內徑上單位圓周長度計)，其正向如圖1所示。

圖1 帶頸整體法蘭力學模型圖

上述邊界力分別對法蘭各部分引起應力，其三個方向的計算應力σH、σR、σT的位置及分布如圖2所示。法蘭設計中對此三個應力進行強度校核。

圖2 σH、σR、σT的位置及分布

法蘭環(huán)或錐頸任一部分出現(xiàn)微量的屈服時，其載荷就要轉移到另一部分來承擔。從保證法蘭密封可靠性來看，保證法蘭環(huán)有足夠的強度比保證錐頸的強度要更優(yōu)先考慮。因此取錐頸軸向應力的許用值比法蘭環(huán)的要大，標準將其控制在1.5倍許用應力，而其余兩個徑向和環(huán)向應力則控制在1倍許用應力。為了使法蘭環(huán)在錐頸輕微屈服時能有足夠的強度來承受轉移過來的載荷，就要求法蘭環(huán)有一定的能力儲備，所以標準將軸向應力加徑向應力的平均值和軸向應力加環(huán)向應力的平均值也控制在1倍許用應力。

2 試壓溫度下法蘭的許用應力和安全系數(shù)

由GB/T 150.1-2011《壓力容器》中第4.4可知，試壓溫度下法蘭的許用應力[σ]f= min(Rm/2.7,ReL/1.5)，即安全系數(shù)分別為2.7和1.5。

式中：Rm——材料標準抗拉強度下限值，MPa；

ReL——材料標準室溫屈服強度，MPa。

3 法蘭的分類

法蘭分為標準法蘭和非標法蘭。

3.1 標準法蘭

設計人員只需根據(jù)設計工況從法蘭標準進行選用而不必進行法蘭強度計算。但如何根據(jù)試壓工況進行法蘭選用，各標準中只有HG/T 20592～20635-2009《鋼制管法蘭、墊片和緊固件》提到了此問題；在NB/T 47020～47027-2012 《壓力容器法蘭》、GB/T 29465-2012 《浮頭式熱交換器用外頭蓋側法蘭》卻未曾提及。

3.2 非標法蘭

不能按以上法蘭標準直接選用，需要設計人員根據(jù)設計條件按相應的壓力容器設計、計算標準(如GB/T150-2011)中法蘭的計算方法一章進行設計計算來確定法蘭的結構尺寸；但容器的設計、計算標準(如GB/T150-2011)中又未提及試壓工況下法蘭應力如何進行校核計算。

本文分標準法蘭和非標法蘭兩種情況，根據(jù)法蘭的設計、計算原理和實際工程設計經驗，對壓力容器法蘭的壓力試驗工況應力校核方法進行探析，并提供了實際工程中運用過的具體算例供大家參考。

4 標準法蘭的壓力試驗工況下的應力校核方法

目前壓力容器行業(yè)現(xiàn)行的法蘭標準有：HG/T 20592～20635-2009 《鋼制管法蘭、墊片和緊固件》、NB/T 47020～47027-2012 《壓力容器法蘭》、GB/T 29465-2012 《浮頭式熱交換器用外頭蓋側法蘭》，下面分別闡述各標準中的法蘭如何考慮壓力試驗工況下的應力校核問題。

4.1 標準管法蘭

對于標準管法蘭能夠承受的水壓試驗壓力，在現(xiàn)行的壓力容器管法蘭標準HG/T 20592～20635-2009 《鋼制管法蘭、墊片和緊固件》中有明確規(guī)定；在HG/T 20592和HG/T 20635兩標準的第11章有相關規(guī)定：11.0.1法蘭原則上不進行單個法蘭的壓力試驗；11.0.2當法蘭安裝到管道或設備上以后，其水壓試驗壓力應不大于本標準第7章規(guī)定的常溫時最高允許工作壓力的1.5倍。由此可見，對于管法蘭的選用只要按此規(guī)定執(zhí)行，即可以承受對應的水壓試驗壓力。

4.2 標準設備法蘭

對于標準設備法蘭能夠承受的水壓試驗壓力，在現(xiàn)行的壓力容器設備法蘭標準NB/T 47020～47027-2012 《壓力容器法蘭》和GB/T 29465-2012 《浮頭式熱交換器用外頭蓋側法蘭》中并未說明，這就需要設計者在選用標準法蘭時進行充分的考慮，有的設計單位規(guī)定：設備法蘭在選用時按設計壓力提升一個等級選用，例如設計壓力是0.8MPa,而設備法蘭選1.6 MPa等級的；還有的單位對設備法蘭按水壓試驗壓力和溫度進行計算；這樣雖然規(guī)避了壓力試驗時應力超限的風險，但同時也造成了材料的浪費。因此筆者認為，只有對法蘭進行水壓試驗壓力下的應力校核，才是最合理、最經濟的做法。

標準設備法蘭的壓力試驗工況應力校核方法具體步驟為：

液壓試驗時：1.3倍試驗溫度下法蘭材料的許用應力；氣壓試驗時：1.15倍試驗溫度下法蘭材料的許用應力。

(2)對于螺栓、螺柱緊固件，應校核其最大軸向拉伸應力σt應滿足下列條件：

液壓試驗時：σt≤0.9 ReL(RP0.2)；氣壓試驗時：σt≤0.8 ReL(RP0.2)。

上式中：σt ——試驗壓力下法蘭的應力，MPa；ReL(RP0.2)——圓筒材料在試驗溫度下的屈服強度(或0.2%規(guī)定塑性延伸強度)，MPa。

5 非標法蘭的壓力試驗工況下的應力校核方法

當法蘭的結構尺寸或應用條件超出標準規(guī)定的使用范圍時，就必須進行非標法蘭的設計。在進行非標法蘭設計時，可以參考相近的標準法蘭初定各結構尺寸，經各應力計算、校核合格后使用，具體設計步驟為：

(1)確定墊片材料、形式及尺寸。

(2)確定螺栓材料、規(guī)格及數(shù)量。

(3)確定法蘭材料、密封面型式及結構尺寸。

(4)進行應力校核。

(5)進行剛度校核。

(6)試驗壓力下的法蘭的應力校核。

(7)試驗壓力下法蘭螺栓的應力校核。

具體設計方法詳見GB/T150.3的“法蘭”一章，在此不做贅述，法蘭和螺栓的試驗壓力下的應力校核同1.2中內容。

6 算例

以長頸對焊法蘭為例，設計壓力p=5MPa，設計溫度t=150℃，法蘭材料為16MnⅢ，圓筒直徑為DN=1500mm，圓筒材料為Q345R，圓筒厚度δn=28mm，腐蝕裕量C2=3mm,墊片采用不銹鋼纏繞墊。法蘭尺寸如圖3所示。

圖3 法蘭尺寸圖

運用SW6計算軟件對法蘭進行校核計算，得出法蘭厚度為115mm(如表1所示)。

表1 法蘭計算結果

再對該法蘭進行壓力試驗工況應力校核，具體方法步驟為：

(2)1.3倍試驗溫度下法蘭材料的許用應力為:1.3[σ]f=1.3×174=226MPa。

(3)在SW6計算軟件材料庫里面新建材料“16Mn試壓”，將其許用應力設置為226 MPa。

(4)運用SW6計算軟件對法蘭進行壓力試驗工況應力校核(如表2所示)，發(fā)現(xiàn)法蘭厚度115mm不能滿足要求。

表2 法蘭液壓試驗應力校核結果

(5)將法蘭厚度調為130mm，運用SW6計算軟件對法蘭進行壓力試驗工況應力校核(如表3所示)，計算通過。

表3 法蘭液壓試驗應力校核結果

再對法蘭螺栓進行應力校核，其最大軸向拉伸應力σt應滿足下列條件：液壓試驗時σt≤0.9 ReL。

從SW6法蘭水壓試驗應力校核計算書中得到螺栓載荷Wp=9015771N，又知螺栓數(shù)量為64，螺栓根徑d1=31.7mm，則單個螺栓截面積為789.2mm2,則:

σt=Wp/64/789.2=9015771/64/789.2=178.5 MPa。

0.9 ReL=0.9×295=265.5 MPa。

σt≤0.9 ReL,螺栓校核通過。

7 結語

通過算例可以看出，倘若不進行試驗壓力下的法蘭的應力校核，則法蘭厚度115mm滿足設計條件的要求，會被設計者所采用，但不滿足液壓試驗對法蘭強度的要求，從而會導致產生液壓試驗時法蘭變形與泄露的問題。另外，如果不對螺栓進行液壓試驗下的應力校核，就有可能出現(xiàn)螺栓強度不足而屈服甚至斷裂，造成泄露和安全隱患。由此可見，對法蘭和螺栓進行試驗壓力下的應力校核是十分必要的。