钛(tai)/不(bu)锈(xiu)钢法兰计算方(fang)法和垫(dian)片(pian)性能(neng)参数

法(fa)兰连(lian)接(jie)是一(yi)种在压力(li)容器和(he)压力(li)管(guan)道(dao)工(gong)程设计中应用非(fei)常(chang)广泛的可拆式(shi)连(lian)接形(xing)式(shi)。保证连(lian)接(jie)的强度安(an)全和(he)密(mi)封(feng)安全(quan)是对法兰(lan)接头(tou)设(she)计(ji)提(ti)出(chu)的最(zui)基本(ben)要(yao)求。因此(ci)，法(fa)兰计算需要解(jie)决(jue)三(san)个(ge)主(zhu)要(yao)问题：首先，需确定安(an)装时螺栓(shuan)的预(yu)紧(jin)应力(li)水平(ping)。预紧(jin)力(li)的(de)大(da)小(xiao)，与(yu)所使(shi)用的(de)垫(dian)片(pian)密封(feng)性能(neng)有(you)关(guan)。就是(shi)说(shuo)垫(dian)片(pian)在预紧和(he)操(cao)作(zuo)状(zhuang)态下(xia)达到(dao)密封(feng)设(she)计要求时所(suo)需(xu)要(yao)的(de)最小垫片应(ying)力(li)，与(yu)法兰(lan)接头(tou)的(de)承(cheng)载(zai)强(qiang)度(du)以及所作(zuo)用(yong)载(zai)荷的变(bian)化(hua)有(you)关(guan)；其(qi)次(ci)，需进行(xing)密(mi)封分(fen)析计(ji)算(suan)，以(yi)保(bao)证(zheng)法兰接头(tou)在(zai)预(yu)紧、试(shi)验(yan)及(ji)操(cao)作(zuo)条(tiao)件(jian)下都(dou)满(man)足设(she)计要求的(de)密(mi)封(feng)等级(ji)，以控制泄(xie)漏(lou)率(lv)在(zai)允(yun)许范围(wei)内(nei)；最后，需进行(xing)应(ying)力(li)分(fen)析(xi)计(ji)算(suan)，以(yi)防止(zhi)法(fa)兰(lan)接(jie)头在(zai)静(jing)载荷作用下发(fa)生(sheng)强度(du)破坏(huai)。

在法(fa)兰(lan)连接(jie)中，最(zui)常见的(de)失效(xiao)形式(shi)是(shi)泄漏(lou)，而(er)影响(xiang)法(fa)兰接头(tou)泄漏(lou)最核(he)心的组(zu)件(jian)是(shi)垫(dian)片。因(yin)此(ci)，垫片(pian)的密(mi)封(feng)性(xing)能(neng)参数在法兰(lan)计算中(zhong)起(qi)着非常(chang)重(zhong)要的(de)作(zuo)用。而且(qie)，只有(you)获(huo)得真(zhen)实(shi)的垫片(pian)密(mi)封性(xing)能参(can)数(shu)，才(cai)能(neng)真正达(da)到上述(shu)三个(ge)计(ji)算目的。由(you)于(yu)垫(dian)片的(de)密(mi)封性能(neng)参数一(yi)般(ban)由试验确(que)定(ding)，所(suo)以，试验方(fang)法(fa)标(biao)准(zhun)同(tong)样非常重(zhong)要。

1、压(ya)力容器(qi)和(he)压力(li)管(guan)道(dao)法兰(lan)计算方(fang)法发展(zhan)

法(fa)兰(lan)接(jie)头是(shi)由(you)一对法(fa)兰、垫片(pian)和若(ruo)干紧(jin)固(gu)件(jian)组(zu)成的(de)一(yi)个复(fu)杂(za)结构，是一(yi)个(ge)静不(bu)定结(jie)构(gou)，组件之间相(xiang)互(hu)作用、相(xiang)互(hu)影(ying)响(xiang)。其(qi)中(zhong)的组(zu)件材料(liao)，如垫(dian)片(pian)，具(ju)有弹(dan)塑性(xing)和蠕变(bian)特(te)性(xing)等，这样(yang)使得法(fa)兰接头(tou)从预(yu)紧(jin)～试(shi)验一(yi)操(cao)作(zuo)状态(tai)整个(ge)过程(cheng)很(hen)难(nan)进行定(ding)量(liang)的(de)描(miao)述。

对于法兰的(de)计算(suan)方法(fa)，最常用(yong)的(de)是华(hua)脱斯(si)法。

它(ta)主要是基于(yu)标(biao)准(zhun)定义的(de)(或(huo)推(tui)荐(jian)的(de))m、Y的(de)个垫片系数(shu)，以强度(du)为(wei)主要准则(ze)进(jin)行(xing)应(ying)力校(xiao)核计(ji)算。此(ci)方(fang)法(fa)首(shou)先(xian)被ASME规(gui)范作为(wei)附录(lu)采用(yong)n】，随后(hou)陆(lu)续被(bei)其(qi)他(ta)国(guo)家(jia)的(de)压(ya)力容器(qi)标准(zhun)所(suo)采纳，如(ru)法国(guo)的(de)CODAP2000、英国的(de)PD5500、欧(ou)盟的ENl3445以(yi)及GB 150、JIS B8270等。但(dan)其(qi)中(zhong)垫片(pian)系数的确(que)定(ding)，目(mu)前(qian)没(mei)有可适用(yong)的试(shi)验(yan)方(fang)法(fa)标准(zhun)。

1989年(nian)，美国(guo)压(ya)力容器(qi)研(yan)究委(wei)员(yuan)会(PVRC)在(zai)长(zhang)期大量(liang)的研究基(ji)础上(shang)，提(ti)出了一(yi)个(ge)基于(yu)泄(xie)漏率准(zhun)则(ze)的(de)计(ji)算(suan)螺(luo)栓(shuan)载荷的(de)新(xin)方法(fa)，被(bei)称(cheng)为(wei)PVRC方(fang)法(fa)。PVRC方(fang)法不(bu)同(tong)于传(chuan)统设(she)计(ji)方法(fa)之处(chu)在(zai)于(yu)：引(yin)入了(le)紧密性(xing)参(can)数(shu)，来(lai)评(ping)价(jia)法兰接(jie)头的(de)密封(feng)安(an)全(quan)。所以(yi)，它是(shi)一个(ge)基于(yu)泄(xie)漏(lou)率(lv)准则的法兰(lan)连(lian)接设(she)计新方法(fa)。PVRC方(fang)法(fa)的(de)计(ji)算模型(xing)以(yi)及应力评定(ding)准(zhun)则(ze)等(deng)都(dou)基于华脱(tuo)斯方法(fa)。

欧洲(zhou)体系法(fa)兰的计算(suan)方(fang)法，是以德(de)国标准(zhun)DIN 2505方(fang)法为(wei)代表，被(bei)德国(guo)压(ya)力(li)容器(qi)规范AD2000所采用。“DIN”方法借鉴了(le)一部分(fen)华(hua)脱(tuo)斯方法(fa)的基(ji)本(ben)假定，但(dan)法兰强(qiang)度计算(suan)采(cai)用了(le)极(ji)限载(zai)荷(he)法(fa)。它(ta)和华脱(tuo)斯方(fang)法的最(zui)大(da)区(qu)别(bie)在(zai)于(yu)：DIN2505将注意(yi)力(li)放在(zai)法(fa)兰联(lian)接的(de)密(mi)封(feng)方(fang)面(mian)，包(bao)括(kuo)了(le)应(ying)力(li)分析(xi)和(he)密(mi)封分析两(liang)方(fang)面(mian)内(nei)容(rong)。对(dui)法兰常见的(de)泄漏(lou)问题(ti)采取了(le)比(bi)较周(zhou)全的(de)考虑(lv)。即(ji)在(zai)确定了满足强度要求的法(fa)兰尺(chi)寸(cun)之后(hou)，要求(qiu)画(hua)出(chu)法兰(lan)接头的(de)载荷一(yi)变形图(tu)，校验垫(dian)片(pian)是否能(neng)保(bao)证(zheng)密(mi)封。

DIN 2505方法(fa)中(zhong)采(cai)用(yong)的(de)垫片(pian)系(xi)数(shu)是按(an)标(biao)准DIN28090一(yi)l给出。这(zhe)些内容(rong)和(he)思(si)想(xiang)后(hou)来(lai)被欧洲标准(zhun)化(hua)委(wei)员会(CEN)所(suo)采(cai)纳(na)，成(cheng)为(wei)制(zhi)订欧(ou)盟法(fa)兰设计(ji)标(biao)准(zhun)的基(ji)础。和华(hua)脱(tuo)斯法一样，“DIN”方(fang)法的整(zheng)个计算过(guo)程(cheng)(包(bao)括垫(dian)片(pian)系(xi)数(shu)本(ben)身(shen))与法兰(lan)联(lian)接的(de)密封(feng)性(xing)不存(cun)在(zai)明(ming)确(que)的定(ding)量关系。它虽然被(bei)AD压(ya)力(li)容器(qi)规(gui)范(fan)所采(cai)用(yong)，但AD规(gui)范对(dui)接(jie)头(tou)的密封(feng)性(xing)分析(xi)是(shi)非强(qiang)制(zhi)性(xing)要(yao)求(qiu)。

2001年(nian)，欧(ou)洲(zhou)标准(zhun)化(hua)委员会(hui)提出了一种(zhong)全(quan)新(xin)的(de)法(fa)兰(lan)联接计(ji)算(suan)方法(fa)ENl591，并已(yi)被(bei)欧(ou)盟压力(li)容器建(jian)造标(biao)准ENl3445采用，列为附(fu)录G，作(zuo)为法(fa)兰计算(suan)的(de)另(ling)一种(zhong)方法(fa)。“ENl591”方法(fa)考(kao)虑(lv)了整个(ge)法(fa)兰、垫片(pian)、螺(luo)栓(shuan)联接(jie)接(jie)头(tou)的系统特(te)性(xing)，要求进(jin)行(xing)强度设计和密(mi)封性设(she)计(ji)计(ji)算。

所(suo)以(yi)，法兰(lan)联接的设(she)计计算(suan)方(fang)法(fa)可(ke)以(yi)分成(cheng)两(liang)大(da)类(lei)：一(yi)类(lei)是(shi)以ASME为代(dai)表的(de)华脱斯法(fa)和(he)PVRC方(fang)法，另(ling)一类(lei)是以(yi)EN为(wei)代(dai)表的建立在(zai)德国(guo)标准(zhun)DIN 2505基础(chu)上的ENl59l方(fang)法(fa)。

2、华(hua)脱斯法

华脱斯法是20世纪(ji)30年代提出的(de)一种(zhong)法兰计(ji)算方(fang)法(fa)。其计(ji)算模(mo)型(xing)(详(xiang)见(jian)图1)是基于(yu)保(bao)守(shou)的(de)弹性(xing)基(ji)础梁(liang)和(he)圆平板弯(wan)曲(qu)理论(lun)，在假定(ding)螺(luo)栓法(fa)兰(lan)联(lian)接(jie)为(wei)静(jing)定(ding)结(jie)构(gou)，并(bing)给出垫(dian)片(pian)应(ying)力的前(qian)提下进行的力(li)平衡(heng)计算(suan)。计(ji)算中不考虑预紧和操(cao)作(zuo)状(zhuang)态下螺(luo)栓(shuan)载荷(he)的变(bian)化关系(xi)，仅(jin)包(bao)含(han)了(le)法兰组(zu)合结构·的强(qiang)度完(wan)整(zheng)性(xing)。所以(yi)，不可(ke)能知道螺栓法(fa)兰联接行(xing)为(wei)的全部过(guo)程。

华脱斯(si)法是一(yi)个保(bao)守(shou)的(de)传统(tong)设(she)计计(ji)算方法(fa)，其(qi)计(ji)算模(mo)型(xing)并(bing)非完(wan)美(mei)无缺(que)。它是(shi)一(yi)个(ge)简化的应力计(ji)算(suan)方法(fa)加上基于(yu)使(shi)用经验的刚度(du)系(xi)数(shu)校(xiao)核，将复杂的法兰联接，运(yun)用了(le)极(ji)其(qi)简(jian)化的计(ji)算(suan)模(mo)型(xing)进行设(she)计计(ji)算。在一定程度(du)上，给出了确(que)定(ding)法(fa)兰联接(jie)尺寸的准(zhun)则，但(dan)对法(fa)兰联接(jie)的密封(feng)性(xing)能认识是(shi)有欠(qian)缺(que)的(de)。

2.1 垫片(pian)系(xi)数in、Y

由(you)于垫(dian)片的(de)力(li)学性能(neng)、密(mi)封性能非(fei)常(chang)复杂(za)，加(jia)上(shang)华(hua)脱(tuo)斯法刚提出的时(shi)，对垫片的(de)密封(feng)行为认识(shi)不(bu)够(gou)充分(fen)，也没(mei)有(you)其(qi)他(ta)更(geng)为(wei)贴切的(de)垫(dian)片(pian)参数(shu)来(lai)描(miao)述(shu)法兰连(lian)接(jie)中(zhong)垫片的行为(wei)特性(xing)。因(yin)此，华(hua)脱斯(si)法采用了(le)将其简化(hua)处理为2个参数来表示的方法，即(ji)ro和(he)Y值(zhi)。

虽然(ran)，ASME规(gui)范(fan)中给(gei)出(chu)了(le)m、Y的(de)推荐(jian)值(zhi)，用(yong)来(lai)确定设(she)计(ji)螺栓载荷(he)。但(dan)因为没(mei)有相(xiang)应的试(shi)验(yan)方(fang)法标准(zhun)，规范(fan)推荐(jian)的(de)m和(he)Y值无法(fa)用(yong)试(shi)验来验证，更(geng)无法(fa)推(tui)广到(dao)新(xin)材(cai)料、新结(jie)构的(de)垫(dian)片产(chan)品上(shang)。所以(yi)，华脱斯(si)法(fa)中的vii、Y系数是形(xing)式上(shang)的垫片系(xi)数(shu)，是概念(nian)性(xing)的(de)，是(shi)为(wei)了(le)方(fang)便(bian)法兰(lan)设(she)计计算而设定(ding)的(de)。其(qi)没有(you)考虑(lv)与法(fa)兰(lan)接(jie)头密(mi)封性能的关(guan)系，也与(yu)被密封(feng)的(de)流体(ti)介(jie)质(zhi)种类无关(guan)，且(qie)在设(she)计(ji)方(fang)法(fa)中，也(ye)没有(you)规(gui)定(ding)密(mi)封(feng)设计(ji)的合格评(ping)定(ding)准则。换言之，华(hua)脱(tuo)斯法是(shi)仅保(bao)证(zheng)法(fa)兰(lan)连接强(qiang)度的(de)设计方法(fa)。

但也应该看到(dao)，在(zai)华脱斯(si)法确(que)立(li)的20世(shi)纪(ji)30年(nian)代(dai)，当时对于法兰接头(tou)的泄(xie)漏、密封(feng)问(wen)题(ti)并(bing)没(mei)有(you)真正(zheng)重(zhong)视。

2.2 设计螺(luo)栓载荷(he)

华(hua)脱(tuo)斯法(fa)中(zhong)，螺栓载(zai)荷是分(fen)别按(an)预(yu)紧和操(cao)作(zuo)2个(ge)状态(tai)下计(ji)算、比较(jiao)后获(huo)得的(de)一个计(ji)算(suan)值(zhi)，这2个(ge)计(ji)算(suan)条(tiao)件是不(bu)相(xiang)关(guan)且(qie)独立(li)的(de)，但实际情况(kuang)并非(fei)如(ru)此(ci)。如(ru)上(shang)所述，从法兰接(jie)头(tou)的安装(zhuang)到(dao)使(shi)用工(gong)况，螺栓载(zai)荷的(de)变(bian)化是相(xiang)互(hu)有(you)关(guan)联(lian)的(de)。由于(yu)法(fa)兰接(jie)头的(de)力学和变形的复(fu)杂(za)性，这一过(guo)程(cheng)要(yao)用(yong)某一(yi)解(jie)析(xi)分(fen)析(xi)方法进行(xing)计(ji)算是(shi)相(xiang)当(dang)困(kun)难的(de)。在(zai)操(cao)作(zuo)状(zhuang)态(tai)下(xia)，垫(dian)片残(can)留的(de)压缩(suo)应(ying)力(li)有多(duo)大，用华脱斯法(fa)是无法正确推断(duan)，这(zhe)也(ye)是其存在的(de)问(wen)题(ti)之(zhi)一。

华脱斯法对(dui)于螺(luo)栓(shuan)载(zai)荷(he)计(ji)算(suan)的考虑(lv)是基(ji)于标(biao)准推荐(jian)的m、y系数，这(zhe)些(xie)数(shu)值普(pu)遍(bian)非常低，所(suo)以(yi)得(de)到的螺(luo)栓载(zai)荷(he)值也偏低。也(ye)就(jiu)是(shi)说，按(an)标准(zhun)计算的螺栓(shuan)载荷(he)，严格(ge)地(di)讲(jiang)是设计螺栓载荷(he)，是用(yong)于法(fa)兰设(she)计(ji)的(de)目(mu)的，是(shi)为了(le)从结构上保证法兰具有(you)足(zu)够(gou)的强度(du)，是一个设计值(zhi)的概念(nian)。与安装(zhuang)时实(shi)际(ji)施加(jia)的(de)载(zai)荷(he)没有(you)关系(xi)。实(shi)际(ji)情(qing)况也是(shi)，安(an)装(zhuang)时(shi)通常施加的(de)螺栓预(yu)紧(jin)载荷(he)是(shi)设计计(ji)算(suan)值的(de)2～3倍(bei)以(yi)上(shang)。

2.3 垫(dian)片宽(kuan)度

华脱(tuo)斯(si)法(fa)引入有(you)效垫(dian)片宽度(du)的(de)概(gai)念，并非(fei)是(shi)垫片(pian)真(zhen)正的(de)接触(chu)宽(kuan)度(du)。而且，垫(dian)片(pian)的(de)实际(ji)接触(chu)宽度(du)在预(yu)紧(jin)和(he)操(cao)作(zuo)状态下(xia)也是不(bu)同(tong)的(de)，是(shi)个变化值(zhi)。虽(sui)然如(ru)此，华脱斯法(fa)还是得到(dao)较好(hao)的应(ying)用，是(shi)因(yin)为(wei)在(zai)现场(chang)实际(ji)施加(jia)的(de)预(yu)紧(jin)螺(luo)栓(shuan)载荷要远(yuan)大(da)于设(she)计(ji)螺栓载荷，这在一(yi)定(ding)程(cheng)度上，补偿了(le)其(qi)不足。

3、PVRC方法(fa)

自—从(cong)华(hua)脱(tuo)斯(si)法(fa)被ASME规范(fan)采用(yong)后，特别是(shi)针对(dui)规范中(zhong)推荐(jian)的m、Y值，其(qi)确定的(de)依(yi)据和适(shi)用(yong)性从(cong)各方面(mian)都提(ti)出(chu)了大(da)量的疑(yi)问。这(zhe)促(cu)使ASME委员会要求(qiu)PVRC委员(yuan)会(hui)(Pressure Ves—sel ResearchCouncil)对(dui)垫片(pian)系(xi)数进(jin)行(xing)重(zhong)新评(ping)价。

于是，从(cong)1974年(nian)开始(shi)，PVRC下(xia)设的(de)BFC委员(yuan)会(BoltedflangedConnections Committee)开(kai)始了(le)与(yu)垫(dian)片(pian)有(you)关(guan)的实(shi)验(yan)研究(jiu)。通(tong)过(guo)长(zhang)期(qi)的研究和(he)分析，并(bing)不(bu)断(duan)地(di)修改试验(yan)程序(xu)，于1989年(nian)正式提(ti)出了(le)在法兰计(ji)算(suan)中(zhong)，确定(ding)设(she)计(ji)螺(luo)栓载荷的(de)新方(fang)法(fa)(称为(wei)“PVRC方法(fa)”)。在(zai)PVRC方法中(zhong)，第一(yi)次(ci)引(yin)人(ren)了(le)表(biao)示密封(feng)等(deng)级(ji)的密(mi)封参(can)数，提(ti)出了新(xin)的(de)垫(dian)片(pian)(设计)系(xi)数(shu)的概念(nian)，以及确(que)定(ding)这(zhe)些新的(de)垫(dian)片系数(shu)的试(shi)验方法(fa)。PVRC方(fang)法的法(fa)兰应(ying)力计算和(he)合格评(ping)定与华(hua)脱斯(si)法相(xiang)同(tong)。

3.1 计算模(mo)型(xing)

PVRC方法是在(zai)华(hua)脱斯法框(kuang)架和基本假(jia)定(ding)不变(bian)的(de)前(qian)提(ti)下，对螺栓载荷(he)的(de)计算方法(fa)作了全新的(de)修改(gai)，提出了(le)基于(yu)泄(xie)漏率准则的(de)新的螺栓载荷计算(suan)方法。但(dan)在(zai)法兰(lan)弹(dan)性(xing)应(ying)力分析和最(zui)大(da)应(ying)力(li)限(xian)制(zhi)等方(fang)面，沿(yan)用(yong)了(le)华脱(tuo)斯法(fa)的做法(fa)。它最突出的(de)特(te)点，是建立了新(xin)的垫(dian)片系(xi)数与允(yun)许泄漏(lou)率或(huo)密(mi)封(feng)等(deng)级(ji)(T。)之(zhi)间(jian)的定量关(guan)系。

PVRC方(fang)法定义了新(xin)垫(dian)片(pian)系(xi)数Gb，a，Gs，以代(dai)替(ti)原来(lai)的m、Y值(zhi)，由被(bei)称为“ROTT”的常(chang)温(wen)试(shi)验(yan)确定(ding)。Gb和(he)a表示垫(dian)片(pian)达到初始(shi)密封(feng)的(de)能(neng)力。

Gs表示(shi)在(zai)操(cao)作状(zhuang)态下或介质压(ya)力增(zeng)加(jia)后，垫(dian)片(pian)保持密封的能力。

3.2 密封(feng)分(fen)析设计

在PVRC方法(fa)中(zhong)，将法兰(lan)接(jie)头(tou)整体(ti)的(de)密封(feng)性能作为(wei)一(yi)个(ge)设计(ji)条件(jian)，采(cai)用(yong)一(yi)个(ge)无(wu)量纲参(can)数(shu)“T。”表(biao)示法兰(lan)联接(jie)的密封(feng)等(deng)级(ji)或允许泄漏率(lv)。如下式(shi)所示，T。与内压(ya)成正(zheng)比、与泄(xie)漏率的(de)平(ping)方(fang)根(gen)成反(fan)比(bi)。

为了(le)设计(ji)和(he)使用上(shang)的方便，PVRC方(fang)法(fa)根据使(shi)用环(huan)境(jing)以(yi)及工(gong)艺(yi)要(yao)求，以及所使用(yong)垫片(pian)的(de)结(jie)构(gou)和(he)材(cai)料(liao)、操作条件等，设定了(le)一些(xie)常(chang)用的(de)密封(feng)等级(ji)(详见表1)，对应(ying)于(yu)不(bu)同(tong)的(de)允许泄漏(lou)率。

3.3 分析比(bi)较

1)PVRC方法中，引入(ru)了表(biao)示密封(feng)程(cheng)度(du)(紧(jin)密性)的设(she)计参数T。，定(ding)义(yi)了新的(de)垫片(pian)系(xi)数(shu)Gb，a，Gs，并提(ti)出了(le)基(ji)于(yu)泄(xie)漏(lou)率(lv)准(zhun)则的螺(luo)栓载荷的计(ji)算方法。与(yu)华脱(tuo)斯(si)法相比，这(zhe)些(xie)新(xin)的垫片系数至(zhi)少是从一(yi)定试验(yan)条件(jian)下真实(shi)的(de)密(mi)封试验(yan)结果获得的，在一定(ding)程(cheng)度上代(dai)表(biao)了(le)真(zhen)实(shi)的垫(dian)片行(xing)为(wei)。但(dan)由于(yu)新(xin)的垫(dian)片(pian)系数(shu)(Gb。a，Gs)是根据(ju)试验数(shu)据回(hui)归整(zheng)理(li)后得(de)到(dao)。试验中泄(xie)漏率的(de)微(wei)小(xiao)变(bian)化都会(hui)影响到最终结(jie)果(guo)的(de)精确(que)性。因(yin)此(ci)，对其数据的可靠性(xing)和可重(zhong)复性(xing)尚存(cun)在(zai)一(yi)些争论(lun)。

2)PVRC方法(fa)，将法(fa)兰(lan)、垫(dian)片、螺栓(shuan)作(zuo)为(wei)一(yi)个(ge)整体(ti)，考虑(lv)螺(luo)栓载(zai)荷和垫片压缩(suo)应力的变(bian)化(hua)和(he)相(xiang)互(hu)关联(lian)。也(ye)就是(shi)说，操(cao)作(zuo)状态下垫片(pian)(压缩(suo))应(ying)力是(shi)由预(yu)紧状态下垫(dian)片应力推算得到(dao)。所(suo)以(yi)，PVRC新(xin)方(fang)法(fa)可(ke)以计算(suan)在规定(ding)的密封等级(允许(xu)泄(xie)漏(lou)率)下，垫片(pian)需要的预紧(jin)和(he)操作(zuo)应力，或(huo)在(zai)给定(ding)类型垫片(pian)和预紧螺栓(shuan)载荷(he)下(xia)，预(yu)计法(fa)兰(lan)接头能够(gou)达(da)到(dao)的密(mi)封(feng)等(deng)级。

3)目(mu)前，PVRC方(fang)法尚(shang)未(wei)被ASME规范(fan)采(cai)纳。在实(shi)际工(gong)程(cheng)应(ying)用(yong)中，多数是(shi)传(chuan)统方法和PVRC方法(fa)并(bing)用。

4、ENl591(ENl3445附(fu)录)方(fang)法(fa)

在(zai)欧(ou)洲标准(zhun)中(zhong)(不包括(kuo)核电方面(mian)应(ying)用(yong))，法(fa)兰联接(jie)的计算方(fang)法(fa)有(you)2种：一(yi)是(shi)欧(ou)洲的压力(li)容器(qi)规范，ENl3445的正(zheng)文(wen)采(cai)用的(de)华脱斯法；另(ling)一(yi)是2001年欧(ou)洲标准化(hua)委(wei)员会(hui)首次发(fa)布(bu)的(de)新的(de)欧(ou)洲(zhou)法兰(lan)计(ji)算标准(zhun)ENl591，也是ENl3445附录G中列(lie)人(ren)的(de)方(fang)法，称(cheng)“ENl591方法(fa)”或“另一(yi)方(fang)法(fa)”。与(yu)PVRC一样(yang)，欧(ou)洲(zhou)标(biao)准(zhun)化(hua)委(wei)员(yuan)会下(xia)设的TC74委员(yuan)会(Flanges and their joints)对于垫(dian)片性(xing)能(neng)的(de)试验方法(fa)、法(fa)兰设(she)计方(fang)法，以(yi)及安装等(deng)法(fa)兰(lan)联接有(you)关(guan)的问题进行(xing)了(le)长期的(de)研(yan)究(jiu)。ENl591的第1部(bu)分(fen)是计算(suan)方法，第(di)2部分(fen)是垫(dian)片性(xing)能参(can)数。该(gai)计算(suan)方(fang)法(fa)考虑了法(fa)兰(lan)一(yi)螺(luo)栓一垫片(pian)的系统(tong)行(xing)为(wei)特(te)性，可(ke)进(jin)行法兰连(lian)接(jie)的(de)应(ying)力(li)分析(xi)计算和密封(feng)分(fen)析(xi)计算(suan)。与(yu)传(chuan)统计(ji)算(suan)方法不同，ENl591方法(fa)在(zai)设(she)计方法(fa)上(shang)有(you)比较大的变革，是(shi)一个创新(xin)的设计(ji)理念(nian)。

4.1 计算(suan)模(mo)型

ENl591方(fang)法将(jiang)法兰(lan)一(yi)垫片一(yi)紧(jin)固(gu)件接头整体(ti)作为(wei)一(yi)轴对称(cheng)模型来考(kao)虑(lv)(详(xiang)见(jian)图(tu)2)，从(cong)而更(geng)接近实际(ji)的法兰(lan)接(jie)头(tou)的复杂(za)模(mo)型(xing)。它将(jiang)法兰(lan)作为(wei)一个(ge)刚(gang)性(xing)环，仅(jin)考虑法兰的旋转(zhuan)以(yi)及(ji)法兰(lan)环(huan)的周向(xiang)应(ying)力(li)和应变(bian)。对于(yu)垫片，至(zhi)少采(cai)用6个特性(xing)参(can)数(QMlN(L)、QsMIN(L)、QsMAx、PoR、EG、口(kou)(；)来(lai)描(miao)述垫片在整(zheng)个过程中(zhong)的行(xing)为(wei)Dl。其(qi)中(zhong)，QM。。(L)、Q洲(zhou)。(L)是(shi)表(biao)示(shi)密(mi)封特性(xing)的参(can)数(shu)，Q。M。EG、PQ。

是(shi)表(biao)示变(bian)形(xing)特(te)性(xing)的(de)参(can)数(shu)，a。是垫(dian)片的(de)轴(zhou)向(xiang)热(re)膨(peng)胀(zhang)系数(shu)。此外，还考(kao)虑(lv)了(le)螺(luo)栓(shuan)预紧(jin)方式以(yi)及螺栓载荷分布的不均匀等(deng)影响(xiang)因素。在(zai)计算过(guo)程中，不仅考(kao)虑力(li)平(ping)衡，也考虑变形协(xie)调和(he)流(liu)变规律(lv)(如(ru)垫(dian)片(pian)的(de)蠕变(bian)、松(song)驰(chi))以(yi)及(ji)法(fa)兰(lan)接(jie)头中(zhong)各组件(jian)可(ke)能(neng)存(cun)在(zai)的温(wen)度差(cha)。按照(zhao)法(fa)兰(lan)接头预紧、试(shi)验、操(cao)作(zuo)状(zhuang)态(开(kai)车、停(ting)车、运(yun)行)的(de)顺(shun)序，计算(suan)各状(zhuang)态下法兰接头各(ge)组(zu)件相互(hu)作用(yong)和变(bian)形，包括作(zuo)用载(zai)荷(he)的(de)改变引(yin)起(qi)螺(luo)栓(shuan)力和垫(dian)片力(li)的(de)变(bian)化。

4.2 密封设计(ji)准则

欧(ou)洲标(biao)准化(hua)委员(yuan)会参照PVRC的做法，按(an)质量泄漏率大(da)小将(jiang)密(mi)封程度分(fen)成(cheng)三(san)个(ge)等级(ji)，如表2所(suo)示。要求(qiu)在(zai)预(yu)紧(jin)状态(tai)下(xia)，垫(dian)片(pian)压应力(li)必(bi)须(xu)大(da)于Q。i。；在(zai)操作(zuo)状(zhuang)态(tai)下(xia)，垫(dian)片压(ya)应力(残留)必须(xu)大(da)于(yu)Q。。，Qa。与(yu)预(yu)紧(jin)应力水(shui)平Qa有(you)关(guan)。

4.3 强(qiang)度设计准则(ze)

ENl591方(fang)法的强度(du)设(she)计(ji)准则采(cai)用极限载(zai)荷理(li)论(lun)，控(kong)制(zhi)过(guo)量变(bian)形引(yin)起的破(po)坏。用(yong)载荷(he)IL(作(zuo)用在(zai)各组(zu)成(cheng)件上(shang)的(de)载荷(he)与(yu)其(qi)极(ji)限强度(du)(许用(yong)载荷)之比(bi))的(de)概念，分别(bie)校核法兰(lan)、垫片、螺栓的(de)承(cheng)载能(neng)力(li)。

对(dui)于(yu)垫(dian)片(pian)：控制垫(dian)片(pian)应力(li)<最(zui)大(da)允(yun)许(xu)压(ya)缩应力(li)；对于(yu)螺栓(shuan)：螺栓应力(li)<螺(luo)栓许(xu)用应(ying)力(螺(luo)栓应(ying)力的(de)计算(suan)考(kao)虑(lv)拉(la)力和扭(niu)距的组(zu)合(he))；对于(yu)法(fa)兰：①法(fa)兰(lan)转(zhuan)角(jiao)<最大(da)允(yun)许(xu)值(如(ru)果(guo)有(you)规定(ding))；②载(zai)荷(he)比(bi)<规(gui)定(ding)的最大值(zhi)。法兰强(qiang)度校(xiao)核(he)仅考虑(lv)周向应(ying)力和(he)应变，不(bu)考虑(lv)径(jing)向(xiang)和(he)轴向(xiang)的应(ying)力(li)和应(ying)变。

4.4 分析比(bi)较

1)ENl591方法(fa)中，密封设计(ji)计(ji)算(suan)确定(ding)的是(shi)螺栓预紧载荷的下(xia)限(xian)值(zhi)，即确定达(da)到(dao)设(she)计要求(qiu)的(de)允许(xu)泄(xie)漏量时(shi)需要(yao)的(de)最(zui)小(xiao)螺(luo)栓(shuan)载荷；强(qiang)度设计(ji)计算(suan)确定(ding)的(de)是(shi)螺(luo)栓(shuan)预紧(jin)载(zai)荷的上(shang)限值(zhi)，即确定(ding)法兰(lan)一(yi)垫片一(yi)螺栓要具有足(zu)够(gou)的(de)强(qiang)度，不发(fa)生破(po)坏。设(she)计(ji)者(zhe)应在(zai)上述范(fan)围(wei)内，选择(ze)合(he)适(shi)的螺栓预紧载荷(he)，并考(kao)虑一定的安全裕(yu)量、紧(jin)固(gu)方式(shi)等(deng)影响(xiang)因(yin)素(su)。

2)ENl591方(fang)法比(bi)华(hua)脱(tuo)斯(si)法(fa)更(geng)全(quan)面(mian)地(di)反(fan)映(ying)了(le)法兰接(jie)头(tou)的力(li)学特(te)性和(he)密封(feng)性(xing)能(neng)，使(shi)设(she)计(ji)计算(suan)与法兰(lan)接头的实(shi)际行(xing)为(wei)更加符(fu)合(he)。它既包(bao)括(kuo)了(le)强(qiang)度设(she)计(ji)准则(ze)，也包括(kuo)了与(yu)允(yun)许泄漏(lou)量(liang)有(you)关的(de)密封(feng)设(she)计准则，能把握(wo)操作(zuo)状态(tai)下螺栓载荷及垫片(pian)应力的(de)变化(hua)。

但是，密(mi)封(feng)分(fen)析计算在很(hen)大程度上依赖于采(cai)用的(de)垫(dian)片性能参(can)数(shu)的(de)真实(shi)性。ENl59l一2给(gei)出了计算所需(xu)要(yao)的垫片(pian)性能(neng)参数(shu)，ENl591—2—2008版的(de)数(shu)据是(shi)对应于不同(tong)的密(mi)封(feng)等(deng)级(允(yun)许泄漏(lou)量(liang))给出的(de)(常温(wen)数(shu)据(ju))。

3)总(zong)的(de)来说，采用EN新方法通常(chang)得到(dao)的(de)螺栓(shuan)载(zai)荷比较(jiao)高，即(ji)接(jie)近(jin)实际情(qing)况的螺栓(shuan)载(zai)荷(he)。因此需(xu)考(kao)虑控(kong)制上紧(jin)。

4)由于(yu)ENl591方(fang)法(fa)中(zhong)考(kao)虑的(de)因素较(jiao)多(duo)，计(ji)算(suan)方(fang)法非(fei)常(chang)复(fu)杂(za)，需要(yao)大量(liang)的(de)迭代(dai)计(ji)算过程(cheng)来(lai)完成。因(yin)此(ci)，通常需(xu)借助于(yu)计(ji)算机(ji)编(bian)程(cheng)来(lai)完(wan)成。

5)至(zhi)今为止EN新(xin)方(fang)法应用(yong)或(huo)使(shi)用(yong)的经验还不(bu)多。此(ci)方法虽然考虑(lv)因素齐全(quan)，计(ji)算(suan)模(mo)型(xing)也符(fu)合(he)实际(ji)，但(dan)计算过(guo)程过于复(fu)杂(za)。因(yin)此工程使用有(you)必要进(jin)一(yi)步(bu)简化(hua)计算(suan)。

5、法(fa)兰(lan)计算(suan)方(fang)法(fa)间(jian)主(zhu)要(yao)差异(yi)

华脱(tuo)斯法(fa)、PVRC方法(fa)以及(ji)ENl591方法(fa)之间(jian)的主(zhu)要(yao)差(cha)异(yi)见(jian)表(biao)3。

对(dui)于(yu)不同(tong)的标(biao)准方(fang)法进(jin)行比(bi)较(jiao)，其实是(shi)比(bi)较(jiao)困难的。除了(le)技(ji)术(shu)内(nei)容上的(de)不同，还(hai)有(you)相(xiang)对应的材料标准体(ti)系(xi)、制作(zuo)、试验(yan)及(ji)检验(yan)方法等要(yao)求(qiu)的不(bu)同，而后(hou)者(zhe)对(dui)于(yu)最终成(cheng)本(ben)有(you)时候(hou)起(qi)着重(zhong)要的(de)作(zuo)用(yong)。

不(bu)同(tong)国家(jia)的标准，其(qi)制(zhi)定所(suo)基(ji)于的(de)原(yuan)则(ze)常(chang)常(chang)不(bu)同。有(you)些是优先(xian)考(kao)虑(lv)减(jian)少(shao)壁厚(hou)(减(jian)少重量)，常(chang)采(cai)用(yong)通过(guo)大量的(de)计算(suan)来(lai)获得(de)结果，且使(shi)用较(jiao)高(gao)的许(xu)用(yong)应(ying)力(li)。同时(shi)，通过大(da)量(liang)的对于材料和焊缝的试验来加(jia)以保(bao)证(zheng)。这种(zhong)方法(fa)一般(ban)体(ti)现在欧洲标准中(zhong)。相反，有(you)些是(shi)依据少(shao)量(liang)的试(shi)验结果和(he)大量的(de)实际(ji)使用(yong)经验，相(xiang)应(ying)地(di)在计(ji)算(suan)中(zhong)使用较(jiao)低的(de)许(xu)用应(ying)力，结果(guo)是(shi)重(zhong)量(liang)大(da)。这种常(chang)体(ti)现(xian)在(zai)传(chuan)统(tong)的、以美国(guo)为(wei)代表的(de)标(biao)准／规(gui)范(fan)中(zhong)。因此，使用(yong)不(bu)同(tong)的(de)标准，或(huo)同(tong)样的(de)技术指标(biao)，在(zai)不(bu)同国家的标(biao)准／规(gui)范(fan)中(zhong)规定(ding)是(shi)不同(tong)的(de)，不(bu)应该(gai)孤立(li)地(di)去理解和应(ying)用其技(ji)术(shu)要求。

6、结(jie)语(yu)

法(fa)兰接头(tou)计算(suan)的(de)华脱(tuo)斯(si)法采(cai)用(yong)的(de)是(shi)弹(dan)性(xing)分析(xi)方(fang)法(fa)，限(xian)制法兰所(suo)有的应力在弹(dan)性范(fan)围(wei)内(nei)。PVRC方(fang)法和(he)ENl591方(fang)法既包括了强(qiang)度(du)设计准则，也包(bao)括(kuo)了(le)与(yu)允许泄(xie)漏量有关(guan)的密(mi)封(feng)设(she)计(ji)准(zhun)则。但PVRC方法(fa)的(de)强度校核是基于弹性应(ying)力分析，而(er)EN新(xin)方(fang)法采(cai)用载(zai)荷比的(de)概念(nian)，基于极(ji)限(xian)载(zai)荷(he)分(fen)析(xi)方法，且仅(jin)考(kao)虑法(fa)兰环(huan)的周向(xiang)应(ying)力(li)。相对(dui)于欧洲(zhou)EN标准偏重(zhong)分析(xi)计算，美(mei)国(guo)

ASME标准更偏重实际(ji)使用(yong)经(jing)验(yan)和(he)应用(yong)成(cheng)果(guo)。

在2003年的(de)PVP会议(yi)上(shang)，曾(ceng)就(jiu)PVRC方(fang)法和EN新(xin)方(fang)法(fa)进(jin)行过(guo)协(xie)调，但没(mei)有成功(gong)。从此，欧(ou)洲(zhou)和(he)美(mei)国(guo)按(an)各自(zi)的(de)思(si)想发(fa)展，欧洲采用(yong)Q。i。等(deng)特性(xing)参(can)数的EN新(xin)方法(fa)，美国采(cai)用m．，Y系数(shu)方(fang)法(旧(jiu)方法(fa))和新垫片(pian)系数(shu)的(de)PVRC方法(fa)并用(yong)。欧美(mei)国(guo)家(jia)相(xiang)对较(jiao)早开始(shi)重视环境保护(hu)，很(hen)早(zao)就(jiu)开始(shi)了包括防(fang)止垫(dian)片泄漏(lou)在内的设计(ji)方法的研(yan)究。今后的可持续发展(zhan)要求将进入一个(ge)对(dui)环境问题(ti)非(fei)常(chang)敏感(gan)的时代(dai)，控(kong)制(zhi)泄(xie)漏、使连(lian)接(jie)更(geng)紧(jin)密(mi)的(de)设(she)计(ji)方(fang)法(fa)，将(jiang)会引起(qi)重(zhong)视(shi)。因此，对(dui)于(yu)新方(fang)法应(ying)予(yu)以关注(zhu)。

参考文(wen)献(xian)：

[1] ASME Boiler and Pressure Vessel Code，Ⅷ一1。2007．

[2]Michel Derenne，J．R．Payne．NEW PVRC CONSTA—NTS FOR GASKET SEI。ECTION and NEW ASME RUI。ES FOR BOLTED FLANGED JOINTS，1 997．

[3] ENl591：2001．Flanges and their joints--design rules for gasketed circular flange connections--Pard：caleu— lation method[S

[4]GB 150钢(gang)制(zhi)压(ya)力(li)容器(qi)[s]．

相(xiang)关(guan)链(lian)接