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非标法兰设计过程中紧固件设计载荷的研究
2024年09月09日 12:48:51
01
概述
对于标准法兰，设计人员可根据压力-温度额定值从法兰标准中进行选用。对于压力容器中的非标法兰，一般可按照GB/T 150-2011或ASME等标准规范进行计算校核。法兰螺栓接头主要由法兰、紧固件以及密封垫片组成，接头的组合结构看似简单，但在法兰的设计校核过程中参与计算的参数多达数十个，如何合理地选用设计参数确保法兰的可靠密封并不简单。作者在非标法兰的设计校核中发现，紧固件的设计选型受到法兰安装尺寸、最小螺栓间距、预紧状态和操作状态下所需螺栓面积等因素的制约，同时法兰紧固件的选型也影响着法兰的强度和刚度校核。在某些情况下，当法兰强度或刚度无法通过校核时，适当地减少紧固件数量，缩小紧固件的规格或是选用强度较低的紧固件反而能使法兰顺利通过校核。本文重点对Waters法中涉及紧固件载荷的计算部分进行分析，探讨法兰连接中紧固件设计选用方法。
02
法兰连接的设计校核分析
法兰连接是压力容器中一种常见的连接方式，为了保证法兰的可靠连接，需要对其进行设计校核。目前在工程设计中常采用GB/T 150.3或ASME BPVC VIII Division1标准按照Talor-Waters应力解析法对法兰进行强度和刚度的校核。在校核时，设计人员首先根据法兰的尺寸与设计压力，密封垫片的材质和尺寸等参数，确定法兰在预紧状态和操作状态下所需的螺栓载荷，进而对法兰进行强度和刚度的计算校核。
其中对于法兰的强度校核，按照Talor-Waters应力解析法，要求计算出法兰的轴向应力σH、径向应力σR、环向应力σT和切应力τ，并在应力校核过程中对上述四项应力及前三项应力的组合应力进行校核。根据GB/T 150.3中式（7-16）~（7-19）分析可以得出，法兰的轴向应力、径向应力和环向应力大小均与法兰的计算力矩Mo成正比例关系；而法兰的设计力矩Mo则取决于预紧状态下法兰力矩Ma和操作状态下法兰力矩Mp的较大者，法兰的设计力矩计算公式如下：
式中 Mo——法兰的设计力矩
Ma——法兰的预紧力矩
——设计温度下法兰材料的许用应力
[σ]f——室温下法兰材料的许用应力
Mp——法兰的操作力矩
其中，预紧状态下的法兰力矩Ma的计算公式为：
式中 Am——计算所需的螺栓总截面积
Ab——实际选用螺栓总截面积
[σ]b——室温下螺栓的许用应力
LG——螺栓中心至垫片压紧作用力中心圆之间距离
操作状态下法兰力矩Mp的计算公式为：
式中 FD——内压引起的轴向力
FT——总轴向力与内径截面上轴向力的差值
FG——垫片的压紧力
由GB/T 150.3可知，FD、FT和FG都与法兰的计算压力pc成正比，LD、LT、LG为上述三个作用力的力臂。而在法兰刚度的校核中，整体法兰按下式计算法兰的刚度指数J：
式中 VI——整体法兰系数
Mo——法兰的设计力矩
E——法兰材料的弹性模量
δ0——法兰颈部小端有效厚度
h——法兰颈部高度
KI——刚度系数
根据以上公式容易得到，在法兰的材料、结构尺寸和垫片类型都已经确定的情况下，操作状态下法兰力矩Mp的大小主要取决于法兰的计算压力pc，而预紧状态下的法兰力矩Ma主要取决于螺栓材料的许用应力和实际使用的螺栓总截面积[5]。对于中低压法兰，由于其设计压力pc值较小，操作状态下法兰力矩Mp通常远小于预紧状态下的法兰力矩Ma。因此中低压容器中法兰的设计力矩Mo往往取决于预紧状态下的法兰预紧力矩Ma。从降低设计力矩的角度出发，根据公式（2），在法兰结构设计时要尽量缩减螺栓分布圆的直径来缩短力臂LG，同时还应合理地选择螺栓的规格和数量，避免实际选用的螺栓总截面积Ab远大于计算所需的螺栓总截面积Am，从而导致法兰设计力矩Mo增大，使法兰的强度和刚度难以通过校核。
03
法兰接头中紧固件设计载荷的研究
法兰接头中紧固件设计载荷的研究
在非标法兰的设计过程中，从紧固件的强度方面考虑，实际选用的螺栓总截面积Ab应不小于螺栓所需的总截面积Am。而按照Talor-Waters法，在计算预紧状态下法兰力矩Ma时，为了给螺栓过度拧紧提供一定的余量，使用实际选用螺栓总截面积和计算所需螺栓总截面积的平均值(Am+Ab)/2作为修正的螺栓面积，并乘以紧固件的许用应力[σ]b来计算法兰在预紧状态下的力矩。作者认为这种修正方式虽然简便易行但不够合理：若控制紧固件的预紧力，则可以通过紧固件的真实预紧力准确地求得法兰承受的预紧力矩；若对紧固件的预紧力不施加控制，则要考虑法兰能够承受全部螺栓施加过分拧紧的预紧力，即应按Ab×[σ]b甚至Ab×σb来计算法兰承受的螺栓载荷，这将会给法兰的校核增加过分苛刻的难度，同时对于密封件也可能因为承受过大的应力而失效。
综上，使用修正的螺栓面积(Am+Ab)/2来计算预紧状态下法兰力矩Ma，不仅增加了法兰通过强度刚度校核的难度，也无法科学地指导法兰紧固件的安装。在工程实践中若不对法兰紧固件的预紧力矩进行控制，施加的螺栓预紧力过大可能会造成密封垫片压溃，或由于法兰刚度相对不足发生泄漏风险，同时也存在因施加的预紧力不足，导致法兰在工作载荷下残余预紧力减小而引起的法兰密封失效的可能。特别是当紧固件选用钛合金等弹性模量较低的材质时，往往需要增加实际螺栓面积来补偿紧固件的整体刚度，更加增大了法兰通过校核的难度。因此，如何合理地确定法兰紧固件的安装应力，并以此计算得到法兰在预紧状态下承受的力矩，对于指导法兰的设计校核与安装具有实际意义。
ASME PCC-1《压力边界螺栓法兰连接安装指南》附录O中提出了一套根据法兰、垫片和紧固件等部件的尺寸性能等参数来确定法兰紧固件安装应力的计算方法。但在该计算流程中所需的多个计算参数如密封垫片的目标应力、垫片的最大许用应力、垫片的松弛系数等目前都无标准的测试方法，也没有行业认可的数据来源，因此在指导实际问题时实用性不强。
本文在参照ASME PCC-1的基础上，借鉴了GB/T 150等标准提供的材料参数，提出了一种通过控制紧固件目标应力来计算校核法兰的方法。在选取螺栓安装的目标应力时，可按以下步骤进行确定：
（1）初选紧固件的安装目标应力，目标应力的最大值可选取紧固件室温下屈服强度的40%~70%。为了避免紧固件安装预紧过程中因操作误差导致的风险，同时为紧固件提供一定的防松能力，目标应力的最小值应不小于140~245 MPa。
（2）在设计过程中考虑密封件的工作状态。紧固件在目标应力下应能提供足够的预紧力来满足预紧工况下的法兰密封，且不会因垫片被过度压紧导致垫片失去密封性能。即按选取的紧固件目标应力，折算垫片实际比压应大于等于垫片的比压力y，且小于等于垫片的极限比压力（常取4倍的y）。对于承受内压的容器，垫片在预紧下受到的压紧载荷最大，考虑到内部载荷、后续垫片松弛、紧固件蠕变等因素给密封带来的不利影响，通过紧固件目标应力折算出的垫片实际比压力应尽可能贴近垫片极限比压（如取2~3倍的必须比压）。
（3）紧固件应能提够足够的预紧力来满足操作工况下的法兰密封。根据GB/T 150式（7-6），预紧状态下紧固件提供的载荷减去内压引起的总轴向力可求得操作状态下作用在垫片上的压紧力，该压紧力应满足在工作压力下的垫片临界泄漏比压要求，可按垫片系数m进行折算。
（4）紧固件在操作状态下的最大应力一般应小于70%的螺栓材质屈服应力。紧固件在操作状态下的最大载荷可按GB/T 150式（7-6）进行简单折算，即预紧状态下载荷加上内压引起的总轴向力。在最大载荷下紧固件的应力应不大于70%的紧固件屈服应力。
（5）根据紧固件目标应力计算预紧状态下的法兰力矩。法兰的计算力矩Mo取预紧状态法兰力矩Ma与操作状态下法兰力矩Mp的最大值，并通过GB/T 150式（7-12）~（7-22）计算校核法兰的轴向、径向、环向等应力；应确保在紧固件的目标应力下，法兰的各项应力满足校核要求。
（6）根据紧固件目标应力计算法兰的计算力矩，并按照GB/T 150式（7-23）计算校核法兰的刚度系数；应确保在紧固件的目标应力下，法兰的刚度满足校核要求。
（7）按步骤（1）~（6）确定紧固件的安装目标应力后，可以折算出紧固件的预紧力矩，并按此力矩指导法兰紧固件的安装。
当紧固件的安装目标应力不满足（2）~（6）中的条件时，可通过调整紧固件的安装目标应力，或重新选择法兰、紧固件或垫片等参数并重新计算。按最大螺栓安装载荷控制法的计算流程如图1所示。
04
结语
结语
本文通过分析Talor-Waters解析法中影响法兰设计力矩的各计算参数，得到紧固件选型对法兰校核结果的影响。按照解析法计算，法兰接头中紧固件的规格、材质和数量的选择将直接影响到法兰的计算校核。为了消除紧固件在法兰安装时不受控的过度上紧对法兰强度和刚度造成的影响，设计人员只得通过加大法兰厚度、扩大法兰外径等方式提高法兰的强度刚度，导致设备尺寸和重量增加。
本文在参考ASME PCC-1-2019《压力边界螺栓法兰连接安装指南》的基础上，提出了一种通过选择螺栓的目标应力来控制螺栓预紧载荷，同时兼顾法兰强度刚度以及密封件密封性能的校核方法。根据螺栓目标应力可比较精确地确定法兰接头在安装过程中的拧紧力矩，为今后非标法兰的设计、校核和装配提供一定的技术参考。
*本文节选自《阀门 · 学术版》2024年第3期，文章内容不代表《阀门》立场，如有不同观点，可以留言讨论，友好交流，共同进步。
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