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钢制法兰计算方法及选用问题的讨论朱灿朋1,2，穆传冰1,2，李义超1,2（1.北京首钢国际工程技术有限公司冶金工程分公司焦化事业部，北京 100043）（2.北京市冶金三维仿真设计工程技术研究中心，北京 100043）[摘 要] 介绍了国内外钢制管法兰标准和设计计算方法的发展历史和现状，重点对国内主要钢制管法兰标准进行对比分析，详细论述国内法兰选型设计过程并进行相关讨论，对法兰的合理选型进行了论述。
[关键词] 钢制法兰；选用；计算作者简介：朱灿朋（1975—），男，安徽庐江人，硕士研究生。
高级工程师。
目前主要从事焦化设计管理和总承包项目管理工作。
表1 美洲管法兰标准体系和欧洲管法兰标准体系对比1 概述法兰连接是一种在承压设备工程设计中应用广泛的可拆型连接结构。
保证其连接的强度、刚度以及密封的安全是对法兰接头设计提出的最基本要求。
在法兰计算中需要解决三个主要问题。
（1）确定安装时螺栓的预紧应力水平：预紧力的大小，与所使用的垫片密封性能有关。
即垫片在预紧和操作状态下达到密封设计要求时所需要的最小垫片应力，与法兰的承载能力以及作用载荷的变化有关。
（2）密封分析计算：保证法兰接头在预紧、试验及操作条件下都满足设计要求的密封等级，以控制泄漏率在允许范围内。
（3）应力分析计算：防止法兰接头在不同静载荷作用下发生强度破坏或刚度失效[1]。
法兰连接由配对法兰、垫片和紧固件组成，通过紧固件压紧垫片实现密封。
一般流体在垫片处的泄漏以“渗透泄漏”和“界面泄漏”两种形式出现。
渗透泄漏是流体通过垫片材料本体毛细管的泄漏，除了与介质压力、温度、黏度和分子结构等流体状态性质有关外，主要与垫片的结构、材质有关；界面泄漏是流体从垫片与法兰接触界面泄漏，主要与界面间隙尺寸有关。
无论哪种泄漏都是通过垫片压紧力来阻止，因此工作状态的法兰要保证密封，必须保证工作状态下，垫片上有足够的剩余预紧力[2]。
2 国内外钢制管法兰标准发展现状2.1 国外钢制管法兰标准国际上管法兰标准主要有两个体系，一个是以欧盟EN 为代表的欧洲管法兰标准体系（公称压力采用PN 表示）；另一个是以美国ASME 为代表的美洲管法兰标准体系（公称压力采用Class 表示），两个管法兰标准体系不同，且不能互换。
紧固件选配规定要点：管法兰：法兰，PL,非易燃易爆、非中度有毒，可钢板;SO，非易燃易爆、非高度有毒，WN，高温高压，易燃易爆，高度有毒。
注意设计温度配套。
螺栓紧固件：（注意使用温度，只有全螺纹螺柱或不锈钢螺栓可用于低温）六角螺栓/螺母，PN16以下，非有毒、易燃、循环，配非金属平垫片，GB/T5782-2000/ GB/T 6170-2000, 材料标注8.8/8级双头螺柱/螺母，PN40以下，非有毒、易燃、循环，垫片不限，GB/T901-1988/ GB/T 6170-2000(PN16以上GB/T 6175-2000)，材料标注8.8/8级（PN16以上标材料牌号30CrMo）全螺纹螺柱/螺母，PN160以下，无限制，HG/T20613-2009/GB/T6175-2000, 材料标注35CrMo /30CrMo 低温冲击试验，螺栓、螺柱选用35CrMoA,且按GB150-1998第4.5.5，进行低温（设计温度）冲击试验，冲击功不小于27J垫片，PN16-25以下，可用非金属平垫片，缠绕垫最通用（PN16以下使用时，要选用WN等刚性较大的法兰）。
WN型法兰不配用非金属平垫片。
注意温度使用范围。
容器法兰，按JB/T4710-2000表2配套选取法兰：结构型式选用可参照管法兰，长颈对焊必须用锻件,低温冲击试验螺栓坚固件：螺柱按JB/T4707-2000,螺母，容器法兰未具体规定，本人认为，比较参考管法兰，专用材料采用2型螺母，故同样按GB/T6175-2000-材料标注具体材料低温工况，，螺柱/螺母都规定选用35CrMoA,冲击试验且按GB150-1998第4.5.5，进行低温（设计温度）冲击试验，冲击功不小于27J垫片：甲型选平垫片，其它可选多种。
压力容器及压力管道盲板强度校核及检验研究摘要：对电厂内部压力容器和压力管道中盲管堵板技术监督，现阶段，从总体设计依据、界定范围、安装要求及监督检验各项标准等方面尚无比较明确的规定，以至于在盲板安装作业过程当中，普遍存在着随意选取及焊接的情况，致使运行之后极易产生失效事故。
所以，就应当对压力容器和压力管道当中盲板强度开展有效校核及其检验工作，并且从盲板强度与其壁厚校核、实行坡口形式、现场焊接及热处理技术工艺、现场焊接作业质量及无损检验，还有在役的盲管堵板有效监管、普查、确立台账、安全评估等各个方面予以分析讨论，以此为盲板设计及监督检验各项工作提供重要的依据或参考，确保因盲管堵板部分焊缝失效所致事故问题的发生概率能够降低。
鉴于此，本文主要探讨压力容器和压力管道当中盲板强度的有效校核及其检验，可供业内相关人士参考。
关键词：压力管道；压力容器；盲板强度；检验；校核前言伴随现代工业持续的进步发展，对各类特种设备均提出更高的要求。
压力容器，属于一类重要的特种设备，实际应用过程当中，对于压力容器与其压力管道的盲板强度方面往往有着较高要求。
为确保盲板强度能够与实际要求相符，则就需严格落实好校核和检验监督的各项工作。
因而，对压力容器和压力管道当中盲板强度的有效校核及其检验开展综合分析，有着一定的现实意义和价值。
1、盲板爆裂的主要成因所选取的堵板厚度倘若欠缺科学合理性，低于实际运行工况之下强度校核实际需求最小的堵板厚度，则会致使压力容器和压力管道当中盲板产生爆裂情况；焊接质量倘若并未合格，则堵板、盲管属于未开坡口及未焊透的一种结构，总体焊缝强度明显不足，未焊透整体结构易因应力集中。
致使形成裂纹；盲板焊缝倘若在安装和运行之后未经过规范化、高精度化金属检验，则盲板后期运行过程当中极易有开裂泄漏情况出现，造成严重的人员伤亡安全事故问题[1]。
电厂设计压力容器和压力管道期间，除要对正常传输相应汽水介质部分管道实施接管处理，还会留好备用管口及其废弃管口，而预留管口通常是供后续使用，日常不用的情况下，借助用堵板将其和废弃管口同时封堵起来，现阶段所用盲管和堵板的连接形式以焊接、法兰、嵌入等形式为主，应用最为广泛的则是焊接连接这种形式，焊接形式盲板有平盖型、球形凸面型、椭圆形等堵板。
法兰泄漏校核的方法及适用范围的研究摘要：法兰泄漏校核是工程设计中比较复杂的课题，为研究不同的法兰泄漏校核方法及适用范围，本文以标准法兰的温度-压力额定值为基准，利用CAESRA II 应力分析计算软件，模拟出不同工况下各校核方法的泄漏界限，并根据各种校核方法的原理，推荐不同法兰泄漏校核方法的适用范围和场景。
关键词：法兰泄漏校核方法 Taylor forge CAESAR II1. 引言法兰连接是压力管道中最常用的可拆卸连接形式，广泛应用于压力管道中管件、阀门、设备等之间的连接，因此如何保证法兰接头的安全性十分重要。
然而由于法兰连接涉及法兰、垫片、紧固件等多个元件，涉及预紧、试验、使用等多个过程，涉及介质压力、预紧力、外力、外弯矩、温度等多种荷载，法兰的失效准则也分为应力引起的强度失效和变形引起的刚度失效准则，如何对法兰接头进行安全性评定是一个比较复杂的问题。
基于以上多种因素的考量，也就出现了多种法兰接头的安全性评定方法。
必须明确的是，变形引起的刚度失效可能更加贴近实际的失效形式，但是要考虑法兰的偏转角度、垫片的压缩量或应变量，螺栓的伸长量等，变形的计算需采用有限元分析，难度较大，对于工程设计来讲，既没有必要也不切实际。
况且由于安全系数较大，一般而言，基于强度计算出的螺栓截面积和法兰厚度是足够的。
那么，以上多种法兰泄漏校核方法，在实际的工程设计中，分别适用哪种场合，哪个方法比较精确，哪个方法又比较安全呢？本文以标准法兰的温度-压力额定值为基准，探讨各法兰校核方法的泄漏界限和适用范围。
2. 标准法兰的压力-温度额定值P R压力-温度额定值来源于ASME B16.5、 B16.47，规定了具有相近弹性模量的金属材料，即碳素钢、合金钢、不锈钢、镍基合金的钢制管法兰的压力—温度额定值。
2.1 ASME B16.5 B16.47钢制管法兰的压力-温度额定值确定原则P R=(10S/8750)xP c≤P r[1]式中：P R=法兰在相应温度下的压力额定值，barS=法兰材料许用应力值，MPaP c=法兰Class等级值P r=最大压力额定值，bar（区别于P R）2.2 标准法兰的螺栓面积的确定准则A b x7000psi≥A g xP c[1]其物理含义是：螺栓承载能力不小于内压在垫片密封面外径范围内的推力。
摘要：基于国内外加氢反应压力容器发展历程和使用要求，设计了一种用于高温高压环境下原料油加工的压力容器。
对该压力容器的筒体、封头及法兰等零件进行了设计、优化及校核，结果表明，所设计的加氢反应压力容器满足使用要求，结构可靠，使用性能良好，可为其他各类压力反应容器的设计提供一定的思路。
关键词：加氢反应；压力容器；结构设计引言21世纪以来，我国各行各业飞速发展，因而对石油的需求与日俱增。
在原油冶炼行业中，自20世纪70年代开始就采用高温高压加氢精制技术。
随后，加氢脱硫和裂化技术飞速发展，使得炼油相关的工艺技术不断创新进步，进一步推动了用于炼油的反应装置（即加氢反应器）的设计和制造技术发展。
加氢反应压力容器作为石油化工行业生产中原油炼制的核心装备，为各类反应提供了适合的环境，因此在石油化工领域得到了普及推广。
为保证油品质量较高，需要控制高温高压，同时反应过程中极易产生硫化氢等易腐蚀设备的介质，这种恶劣的工作环境给加氢装置带来了严峻的考验。
为顺应市场逐渐增长的需求，保证生产安全，研究者们对石油化工设备中压力容器的设计展开了诸多研究。
1压力容器技术分析压力容器作为一种盛装流体且能够承载一定压力的密闭型设备，一般由筒体、封头、法兰、接管、人孔、支座、密封元件、安全附件等组成。
依据使用环境及制造条件，本文设计的压力容器内压为20 MPa，许用应力180 MPa，工作温度250 ℃，筒体内径500 mm，筒体长度6 500 mm，腐蚀裕量1 mm，使用寿命25年。
该高压压力容器承受的压力高，直径大，使用寿命长，根据《压力容器》（GB 150.1～150.4—2011）与《钢制化工容器设计基础规定》（HG/T 20580—2011）中的方法进行设计，主要包括筒体、封头、法兰、接管以及开孔补强等结构的设计。
加氢反应压力容器结构示意图如图1所示。
高压压力容器采用焊接结构，其基本工艺如图2所示。
容器筒体材料为12Cr2Mo1R钢板；两端采用长短轴比为2的标准椭圆形封头，材料为12Cr2Mo1R。
国外压力容器及管道法兰设计技术研究进展原作者：出处：【关键词】压力容器,管道,法兰【论文摘要】出于改进ASME规范全平面法兰连接设计规则的需要，应ASME的要求PVRC于1965年建立了螺栓法兰连接(BFC)专业委员会。
在过去的30多年里，PVRC针对解决垫片法兰接头的泄漏问题，承担了主要研究项目，这些项目对深入了解螺栓法兰接头的泄漏行为以及修订ASME规范设计方法都起到了重要的推动作用。
迄今，PVRC已经做了许多与此相关的工作，包括修订ASME锅炉和压力容器规范的法兰设计规则、制订有更明确意义的设计垫片系数、螺栓法兰接头的模拟分析、垫片密封性能的试验研究(包括高温性能)、垫片材料长期时效特性和耐火寿命的合格评定方法研究等。
1 美国压力容器研究委员会(PVRC)的研究计划和主要成果1．1 概况出于改进ASME规范全平面法兰连接设计规则的需要，应ASME的要求PVRC于1965年建立了螺栓法兰连接(BFC)专业委员会。
在过去的30多年里，PVRC针对解决垫片法兰接头的泄漏问题，承担了主要研究项目，这些项目对深入了解螺栓法兰接头的泄漏行为以及修订ASME规范设计方法都起到了重要的推动作用。
迄今，PVRC已经做了许多与此相关的工作，包括修订ASME锅炉和压力容器规范的法兰设计规则、制订有更明确意义的设计垫片系数、螺栓法兰接头的模拟分析、垫片密封性能的试验研究(包括高温性能)、垫片材料长期时效特性和耐火寿命的合格评定方法研究等。
1990年，PVRC提出五年研究计划，整个研究的目标是改进现有螺栓法兰接头的性能，提出高温和热循环下法兰连接的设计方法，制订法兰设计和装配步骤的合格评定和试验方法。
为了完成这些研究目标，BFC组织了6个分委员会(BFC-99A-F)，分别从6个方面开展大量的研究工作：①垫片常数和试验方法。
②现行法兰设计和分析指导。
③法兰额定参数。
④法兰设计准则和模型。
⑤垫片性能数据(包括高温)和方法。
⑥法兰装配和交互影响。
该长期计划中涉及修订ASME规范和ASTM试验方法方面的工作是委员会最优先考虑的任务。
除了向ASME和ASTM分别提供PVRC垫片常数和垫片试验方法外，为了配合这些工作，还开展了高温试验、外载荷作用下的法兰行为和制订垫片材料合格评定方法等研究项目。
此外，也致力与日本压力容器学会(JPVRC)和欧盟承压设备研究委员会(EPERC)开展国际合作，以协调垫片试验方法和法兰设计规则。
由于五年计划的第一阶段的研究成果，对垫片性能已比5a前能更好地预测、定量和验证，所以现在使用户和制造厂都能够按照研究所提出的试验方法，以更有明确意义的方法规定垫片的性能。
通过PVRC的这些开创性工作，提高了产品在市场上的竞争力。
在此基础上，1999年PVRC继续开始了五年研究计划第二阶段的研究，该阶段的目标包括形成和制订安全与可靠的螺栓法兰连接设计的技术与方法；通过改进垫片选择和合格评定的方法，提高工厂生产的可靠性和安全性，减少易挥发物的逸出水平；支持ASME和ASTM修订垫片标准和螺栓法兰设计规则；通过对螺栓法兰接头性能的深入研究，推动今后提出1种性能更可靠、更有效和更节省成本的法兰连接设计规则和重新评定标准法兰的简化方法。
由于PVRC进行了30多年的研究工作，因此取得了许多富有成效的成果：①提出具有全平面弹性垫片的平面法兰的规范设计规则。
②提出具有全平面垫片的矩形法兰和大直径BFC的近似设计方法。
③研究法兰／螺栓／垫片系统的弹性交互作用，并根据影响系数提出改进紧固螺栓的方法。
④使密封性很好的垫片在室温下保持稳定泄漏特性。
⑤测定柔性石墨板材的高温特性。
⑥提出垫片耐火性合格评定的试验方法。
⑦提出螺栓法兰连接的垫片高温试验方法。
⑧建立ASME新垫片系数表。
⑨建立垫片室温密封性试验(ROTT)数据库。
⑩建立垫片材料性能的试验方法和评定标准。
1．2 垫片性能研究进展1974年，PVRC和BFC开始探索性的垫片试验，目的是研究影响垫片密封性能的参数，包括ASMEBPV规范的m和γ垫片系数。
研究表明，垫片对泄漏率十分敏感，并与垫片材料、宽度、介质，尤其是预载荷等有复杂关系，因此需要对垫片进行更全面的深入研究。
于是在1979年，开始了垫片试验计划Ⅱ。
参加这一工作的有6个国家的30多个企业和组织。
该计划旨在向ASME规范提供经过试验的新的垫片系数和相应的标准试验方法，提供分析法兰连接的详细数据，还包括有关垫片文献的研究和工业调查。
垫片试验计划Ⅱ最终形成了PVRC“垫片室温密封性试验方法”(ROTT)和新的垫片常数(Cb、a、Cs)，并且提供ASTMF3垫片委员会和ASTM特别工作小组具体情况研究修订规范和试验标准。
1983年，为了适应代替石棉垫片和对逸出及安全的更高要求的市场变化需要，组成了垫片试验和高温接头性能分会。
包括对垫片材料长期安全性、减少逸出量和保证耐火性等方面的评价。
该计划得到了20多个单位的赞助。
通过以上的研究工作，包括此前化学工业材料技术学会(MTI)所做的工作，已经提出了多项评价各种垫片性能的技术。
因此，迄今已经有了评定垫片性能(力学性能、密封性能及耐火性能)的标准方法和程序。
ASTM也正在根据PVRC／MTI的这些研究结果，考虑制订相应试验标准，其包括室温密封试验(ROTT)、热态密封试验(HOTT和AHOT)、逸出热态密封试验(EHOT)、时效松弛泄漏粘着试验(AR-LA)、耐火模拟密封试验(FITT)、耐火模拟筛选试验(FIRS)和时效拉伸／松弛筛选试验(ATRS和HATR)等。
目前正在开展的的研究项目包括：①表面粗糙度对室温垫片密封性能和逸出性能的影响。
②垫片宽度和垫片直径对垫片密封性能、垫片常数和逸出的影响。
③有约束的柔性石墨基垫片评定试验方法(草案)。
④PTFE基垫片材料的长期力学性能。
⑤垫片蒸汽泄漏试验和弹性板垫片材料长期空气和蒸汽筛选试验。
⑥长期承压石墨垫片接头试验。
⑦柔性石墨基垫片的长期性能。
⑧时间对密封垫片泄漏性能的影响。
⑨垫片产品VPPM与质量泄漏率的关系。
⑩氧化剂、流体类型和压力以及垫片应力的影响。
⑩与密封性和机械完整性有关的安全载荷极限。
⑩缠绕垫片失稳的研究。
1．3 法兰参数研究由于限制逸出的新法规和新的、更严密的垫片设计需要设计更好的法兰接头，需要更精确的规定标准法兰的适用范围，特别是高温高压场合。
1991年BFC建立法兰参数研究分会，目的是研究制订基于PVRC新的垫片系数和法兰设计方法，使目前常用的标准法兰，如ASMEB16．5和B16．47标准法兰的压力和温度使用范围与BFC长期研究计划得到的新的法兰规范设计方法相一致。
这方面的主要研究工作包括：①螺栓法兰接头的泄漏试验和NPS 24Class150ANSI标准法兰的泄漏试验(与PVRC垫片常数预测泄漏率进行比较)，计划还对NPS16和10Class300进行试验。
②外载荷影响垫片法兰接头密封性能的实验研究(同时验证目前规范考虑外弯矩采用的当量压力法的有效性)，计划进行28组试验，接近60％的试验已完成。
目前正在开展的研究工作包括承受外弯矩作用的NPS 4 Class150、NPS 16Class300、NPS1-1／2和NPS8Class300／1500等法兰的实验研究，外弯矩作用下法兰接头的有限元分析和法兰转角对密封性能影响的实验研究等。
③承受高温或(和)高压的大直径法兰的研究。
④缠绕垫片装拆时的失稳研究。
1．4 法兰设计规范的改变经过PVRC对垫片性能的长期研究工作之后，积累了大量的试验数据，尤其是从法兰设计的概念上进行了变革，提出了基于泄漏准则的计算螺栓载荷方法。
因此ASME成立了1个专门工作机构(Spe-cial Working Group On Bolted Flanged Joints，SWG OnBFJ)，正致力推行新的PVRC垫片常数，同时也对ASME规范中的传统螺栓法兰设计规则进行修改。
SWG计划颁布1个ASME-Ⅷ-1非规定附录BFC，与原来的非规定附录2同时试行，直到取而代之。
新附录的主要变化是：(1)将密封准则作为法兰设计基本准则之一，明确提出以密封度作为表征接头泄漏程度的衡量指标(参数)，因此可将法兰设计要求按密封度级别区分，不同的密封度级别对应不同的最低泄漏率要求。
(2)密封度定义为使150mm(外径)环形垫片达到每s泄漏1mg氦气的介质压力。
可以无因次量纲表示为：Tp=(p/p*)(Lrm*／Lrm)1/2，式中，P为介质压力，MPa；P*为参考压力，取0．101 MPa；Lrm为质量泄漏率，mg／s；Lrm*为单位质量泄漏率，对150mm外径垫片取1mg／s。
(3)按试验结果，密封度与作用在法兰密封面上垫片应力的关系如表示在lgTp-lgSg图上，按预载和卸载阶段分别呈线性关系，其规律可用a、Gs及Gb这3个参数表征，而它们被赋为新的垫片系数。
(4)根据上述垫片系数可以通过计算确定达到指定密封度所需要的螺栓载荷。
(5)密封度等级按照介质的性质和重要性分成5个或以上的级别。
(6)计算出螺栓载荷以后，法兰的强度(完整性)要求仍按照ASMEⅧ-1附录2的方法进行。
根据估算，在一般的密封度要求下用新方法设计的法兰，其螺栓截面积和法兰力矩，在一定的标准法兰范围内，比原来方法大20％-30％。
但新方法可按不同的密封度要求，设计出不同的法兰或者改变垫片类型，因此比原方法有更大的灵活性。
(7)新方法还考虑外载荷、换热器分程等情况。
由于还存在较多不确定的因素以及与需要和国外设计规范的沟通等原因，这一新方法的颁布一再被推迟，已发行的2001版ASME规范中又未出现。
2 欧洲承压设备研究委员会的研究活动1995年成立的欧洲承压设备研究委员会(EPERC)在1997年根据工业调研的结果组建了5个课题组(TechnicalTaskForces，TTFs)，其中TTF4为密封技术(Sealing Technology)。
出于法兰和垫片标准化的实际需要，课题组将确定各种类型垫片的垫片系数和工作特性，以及具有金属和金属接触法兰的设计方法作为优选项目。
前者是针对目前欧洲标准协会(CEN)提出的《法兰及其接头-垫片圆形法兰连接设计规则》(prEN1591-1)没有垫片系数的数据，而作为向其提供垫片系数的prENV1591-2数据既不完整，也不令人满意。
因为prENV1591-2出自原东德标准〔TGL32903／13(1983)〕，数据来源不明，没有试验方法。
此外，这些垫片系数与密封度和温度无关，显然也不合理。
因此该研究计划的任务是得到各种型式法兰接头的垫片系数。
第二项研究则是发展金属与金属接触型的法兰接头的计算方法、试验方法和垫片系数，准备作为螺栓法兰接头完整性研究放在欧洲委员会的研究框架计划内。
