內(nèi)壓及外載荷作用下的法蘭計(jì)算方法介紹

陸征 崔秀君(青島蘭石重型機(jī)械設(shè)備有限公司，山東 青島 266000)

1 緒論

完整的設(shè)備設(shè)計(jì)條件通常會(huì)包含管道載荷，該值一般由管道專業(yè)提供。在進(jìn)行設(shè)計(jì)工作時(shí)，通常會(huì)用該載荷校核接管與殼體間的局部應(yīng)力，以此防止接管與殼體連接部位的失效。然而，是否應(yīng)該將該載荷同樣應(yīng)用于法蘭計(jì)算，可能是存在疑問的：

(1)法蘭規(guī)格(標(biāo)準(zhǔn)法蘭)通常由管道給出，可能已經(jīng)過了配管設(shè)計(jì)可以滿足管道連接。

(2)管道選用的標(biāo)準(zhǔn)法蘭本身具備一定的承受外載荷的能力。

(3)所提供的管道載荷可能是個(gè)前期預(yù)估的保守值，若以此條件設(shè)計(jì)法蘭，需要的法蘭會(huì)遠(yuǎn)大于配對(duì)法蘭。

與此同時(shí)，考慮到法蘭的失效形式，通常是泄露失效。要保證法蘭不會(huì)泄露，必須要保證墊片上存在一定的壓緊力(強(qiáng)制密封法蘭)，因此，螺栓及法蘭的設(shè)計(jì)時(shí)就必須要考慮到會(huì)導(dǎo)致墊片壓緊力減小的各種情況，其中最主要的就是內(nèi)壓力(抵消部分螺栓上緊力)和外載荷(抵消部分螺栓上緊力，并且使得各螺栓力不再均衡)的影響。

因此，內(nèi)壓及外載荷作用下的法蘭計(jì)算方法同樣是需要討論的課題。

2 現(xiàn)行計(jì)算方法

2.1 現(xiàn)行計(jì)算方法介紹

目前，我國對(duì)法蘭承受外載荷的情況主要由以下幾處要求：

(1)HG/T 20582—2011 中指出，法蘭除承受內(nèi)壓外，還承受較大的軸向力和外力矩(如立式設(shè)備的質(zhì)量、風(fēng)載荷、地震載荷或管道引起的力和力矩等)，這時(shí)僅按內(nèi)壓來設(shè)計(jì)或選用法蘭是不安全的，應(yīng)按如下公式計(jì)算當(dāng)量設(shè)計(jì)壓力

(2)NB/T 47041—2014 中規(guī)定：塔殼各段采用法蘭連接時(shí)，法蘭應(yīng)同時(shí)考慮內(nèi)壓，軸向力和外力矩的作用，其當(dāng)量設(shè)計(jì)壓力按下式計(jì)算

以上兩處內(nèi)容的表述大致相同，其對(duì)外載荷均是引入了“當(dāng)量設(shè)計(jì)壓力”的概念，且其計(jì)算方法相同。目前壓力容器設(shè)計(jì)中廣泛使用的計(jì)算軟件SW6 中對(duì)法蘭外載荷的處理也是采用了上述處理方法。

2.2 當(dāng)量壓力計(jì)算的適用范圍

HG 20582—2011《編制說明》中明確指出：

(1)該方法主要推薦用于標(biāo)準(zhǔn)法蘭的選用；

(2)此方法明確僅限于平墊密封的法蘭，不用于其他形式密封的法蘭。

故，該當(dāng)量壓力計(jì)算方法并非適用于所有密封面形式，且該方法用于法蘭設(shè)計(jì)計(jì)算可能是不完全合適的。NB/T 47040-2014 中公式則不區(qū)分法蘭密封面形式，但大部分設(shè)備法蘭都是以平墊密封為主。

2.3 當(dāng)量設(shè)計(jì)壓力公式的推導(dǎo)

法蘭的當(dāng)量設(shè)計(jì)壓力計(jì)算公式中由3 部分組成即：

(1)設(shè)計(jì)內(nèi)壓P。

(2)軸向力F 產(chǎn)生的當(dāng)量應(yīng)力PF。

將軸向力F 等效為DG范圍內(nèi)的內(nèi)壓，即：

(3)外力矩M 產(chǎn)生的當(dāng)量應(yīng)力PM。

其中，b 為墊片寬度。

將作用于墊片區(qū)域的應(yīng)力引起的軸向力等效為內(nèi)壓引起的軸向力，即：

綜合以上三項(xiàng)，得當(dāng)量計(jì)算壓力的計(jì)算公式為：

3 ASME中對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)法蘭選配的規(guī)定介紹

新版ASME Ⅷ-DIV2 2019 中4.16.12 條規(guī)定，對(duì)于承受外力和外力矩的標(biāo)準(zhǔn)法蘭選配應(yīng)符合下式要求：

其中PR 為標(biāo)準(zhǔn)法蘭對(duì)應(yīng)材料類別、溫度、等級(jí)下的最高許用工作壓力，F(xiàn)M 為力矩系數(shù)，按照table 4.16.12 查取，對(duì)與符合ASME B16.5 的管法蘭，一般取0.3-1.2。

將上式變形后可得：

該不等式左側(cè)與上節(jié)中當(dāng)量設(shè)計(jì)壓力的計(jì)算公式一致，右側(cè)相當(dāng)于對(duì)標(biāo)準(zhǔn)法蘭的最高允許工作壓力放大了0.3-1.2 倍。

由此可見，該要求無疑放大了標(biāo)準(zhǔn)法蘭可承受的外載荷的能力，相比于上節(jié)中的計(jì)算方法更為經(jīng)濟(jì)。

4 法蘭計(jì)算方法的比較

設(shè)備設(shè)計(jì)中，往往可以選擇標(biāo)準(zhǔn)法蘭而不必進(jìn)行法蘭計(jì)算。而實(shí)際設(shè)計(jì)中也會(huì)遇到標(biāo)準(zhǔn)法蘭不適用，需要通過計(jì)算確定法蘭尺寸的情況，而此時(shí)需要按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行法蘭校核計(jì)算。

GB150 中的法蘭計(jì)算方法并不包法蘭承受外力和外力矩的情況，對(duì)于該情況的法蘭，只能先計(jì)算法蘭當(dāng)量設(shè)計(jì)壓力，而后進(jìn)行法蘭強(qiáng)度計(jì)算。

ASME 標(biāo)準(zhǔn)中法蘭計(jì)算方法同GB150 類似，同時(shí)是采用經(jīng)典的Waters 法蘭計(jì)算方法。不同的是，ASME Ⅷ-2 2019 中給出的計(jì)算公式中，包含了有外力和外力矩的情況下，法蘭螺栓及法蘭力矩的計(jì)算方法。

所需要的最小螺栓面積如下：

考慮外力和外力矩后，法蘭力矩按下式計(jì)算

經(jīng)實(shí)際計(jì)算發(fā)現(xiàn)，從法蘭計(jì)算到法蘭選用，到法蘭強(qiáng)度計(jì)算，ASME Ⅷ-2 2019 都顯得更為經(jīng)濟(jì)，適用范圍更廣。

5 結(jié)語

經(jīng)過上述對(duì)比分析，我們發(fā)現(xiàn)ASME Ⅷ-2 2019 對(duì)標(biāo)準(zhǔn)法蘭選配到非標(biāo)法蘭計(jì)算，均顯得更為經(jīng)濟(jì)，對(duì)以后的法蘭設(shè)計(jì)，有以下借鑒意義：

(1)對(duì)于平墊密封法蘭，需要按照HG/T20582 的要求計(jì)算法蘭當(dāng)量計(jì)算壓力，然后選擇合適的法蘭；對(duì)于非平墊密封法蘭，按ASME Ⅷ-2 2019 中4.16.12 確定有外載荷時(shí)法蘭的最高允許工作壓力(相當(dāng)于把最高允許工作壓力提高FM倍)。

(2)非平墊密封的非標(biāo)法蘭設(shè)計(jì)，可以按ASME Ⅷ-2 2019中4.16 的方式處理外載荷對(duì)螺栓和法蘭力矩的影響。以此來計(jì)算合適的螺栓面積，活的合理的法蘭尺寸。