ASME PCC-1與Taylor-Waters法螺栓載荷計(jì)算分析與對(duì)比

(無(wú)錫化工裝備股份有限公司，江蘇無(wú)錫 214131)

0 引言

由螺栓、墊片連接的法蘭接頭是壓力容器、管道和閥門(mén)廣泛使用和必不可少的可拆連接形式。作為壓力容器中最重要的承壓部件之一，法蘭接頭的合理設(shè)計(jì)對(duì)于整個(gè)壓力容器的設(shè)計(jì)有著舉足輕重的作用[1-3]。螺栓法蘭連接接頭的失效模式既有強(qiáng)度不足導(dǎo)致的失效；又有由于密封問(wèn)題引起的泄漏失效。傳統(tǒng)的法蘭設(shè)計(jì)方法(Taylor-Waters法[4])，主要是以強(qiáng)度失效模式為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法，而對(duì)于泄漏失效的考慮略顯不足。為了解決泄漏失效的問(wèn)題，業(yè)內(nèi)工程師們一直在從設(shè)計(jì)、安裝、材料等多方面進(jìn)行研究。

美國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì)發(fā)布的ASME PCC-1《壓力邊界螺栓法蘭連接安裝指南》[5]就是一個(gè)從多方面考慮、以減少法蘭接頭泄漏的指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)已被美國(guó)石油協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)API 660—2015[6]及殼牌、美孚等國(guó)際工程公司的工程規(guī)范引用，成為諸多項(xiàng)目中必須遵循的標(biāo)準(zhǔn)。目前國(guó)內(nèi)尚未正式發(fā)布此類標(biāo)準(zhǔn)。雖然ASME PCC-1是主要針對(duì)法蘭安裝的指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)，但其附錄O給出了安裝螺栓載荷及面積的確定方法。安裝所需要的螺栓面積作為實(shí)際的螺栓參數(shù)影響著法蘭的設(shè)計(jì)。對(duì)于法蘭的設(shè)計(jì)引入了WRC 538[7]標(biāo)準(zhǔn)。API 660和某些工程規(guī)范規(guī)定了計(jì)算所需的墊片、螺栓參數(shù)。這些標(biāo)準(zhǔn)相互關(guān)聯(lián)就形成了一整套對(duì)法蘭接頭的新的設(shè)計(jì)方法。

無(wú)論采用哪種方法進(jìn)行法蘭設(shè)計(jì)，螺栓載荷及面積的計(jì)算都是法蘭設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。本文就上述兩種方法中螺栓載荷的計(jì)算進(jìn)行分析，并用實(shí)例計(jì)算來(lái)進(jìn)行對(duì)比。

1 Taylor-Waters法螺栓載荷計(jì)算方法

Taylor-Waters法是美國(guó)Taylor Forge公司與學(xué)者Waters 在1938年提出的螺栓和墊片連接的法蘭設(shè)計(jì)方法，至今仍被包括美國(guó)ASME B&PV Code Ⅷ-1[8]、歐盟EN 13445.3[9]、我國(guó)GB/T 150.3[10]在內(nèi)的世界各國(guó)主流壓力容器標(biāo)準(zhǔn)采用，作為非標(biāo)法蘭的設(shè)計(jì)方法。Taylor-Waters法是以設(shè)計(jì)壓力P、墊片系數(shù)m、墊片比壓力y、有效密封寬度b等為條件，通過(guò)分別計(jì)算預(yù)緊狀態(tài)和操作狀態(tài)下墊片所需的壓緊力，從而算出所需的螺栓載荷和面積，進(jìn)而以螺栓載荷校核法蘭本體強(qiáng)度的設(shè)計(jì)方法。

一方面，墊片系數(shù)m和墊片比壓力y是按照 Taylor-Waters法進(jìn)行螺栓載荷計(jì)算和保證法蘭密封性能的關(guān)鍵。然而，標(biāo)準(zhǔn)中提供的m，y值也都是經(jīng)驗(yàn)值，并非任何情況下都是可靠的[11]。GB/T 150.3—2011表7-2中就明確說(shuō)明：“本標(biāo)準(zhǔn)所列各種墊片的m，y值及適用的壓緊面形狀，均屬推薦性資料。采用本表推薦的墊片參數(shù)(m，y)并按本章規(guī)定設(shè)計(jì)的法蘭，在一般適用條件下，通常能得到比較滿意的使用效果。但在使用條件特別苛刻的場(chǎng)合，參數(shù)m，y應(yīng)根據(jù)成熟的使用經(jīng)驗(yàn)謹(jǐn)慎確定”, 而且至今各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)都未能明確給出聚四氟乙烯墊、齒形復(fù)合墊等常用墊片的m值和y值。這對(duì)很多法蘭的設(shè)計(jì)造成了較大的困擾。

另一方面，經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐檢驗(yàn)，按照Taylor-Waters法和標(biāo)準(zhǔn)推薦的墊片系數(shù)和比壓力設(shè)計(jì)的法蘭接頭，在通常情況下是滿足使用要求的。Taylor-Waters法仍是各國(guó)壓力容器設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)所采用的法蘭設(shè)計(jì)方法。

2 ASME PCC-1螺栓安裝載荷計(jì)算方法

1995年，ASME 的壓力技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)部成立了后建造委員會(huì)(Post Construction Committee)[12]，簡(jiǎn)稱PCC。2000年，PCC 首次發(fā)布了ASME PCC-1《壓力邊界螺栓法蘭連接安裝指南》，2010 年又頒布了修訂版。目前最新版本為2013版。ASME PCC-1—2013版指南的內(nèi)容包括16章正文和16個(gè)附錄，其中附錄O詳細(xì)給出了確定安裝螺栓載荷的方法。簡(jiǎn)述如下:(1)根據(jù)墊片的材料和型式，選定墊片在操作狀態(tài)下和預(yù)緊狀態(tài)下所需的最小壓應(yīng)力，以及墊片能承受不致壓潰的最大壓應(yīng)力;(2)根據(jù)螺栓的材料得到螺栓允許的最高和最低應(yīng)力(根據(jù)API 660 通常取螺栓常溫屈服值的70% 和40%);(3)根據(jù)墊片廠家的推薦值，設(shè)定墊片的目標(biāo)預(yù)緊應(yīng)力;(4)通過(guò)具體的墊片尺寸和目標(biāo)預(yù)緊應(yīng)力，核算出合理的螺栓安裝載荷;該載荷應(yīng)使螺栓應(yīng)力在允許的最高和最低應(yīng)力之間，且該安裝載荷應(yīng)滿足墊片在操作和預(yù)緊狀態(tài)下的最低應(yīng)力要求，并低于墊片允許的最高應(yīng)力值。

從上述過(guò)程可以看出，ASME PCC-1螺栓載荷和面積的計(jì)算模型與Taylor-Waters法基本相同。都是考慮預(yù)緊和操作兩種工況下對(duì)墊片的壓緊力，進(jìn)而根據(jù)螺栓的許用應(yīng)力推算出所需的螺栓面積。

3 ASME PCC-1與Taylor-Waters法螺栓載荷計(jì)算對(duì)比

為了更具體地對(duì)比兩種計(jì)算方法，以常見(jiàn)的纏繞墊為例,選取NB/T 47025—2012[13]中的兩組參數(shù)。第1組為DN1000的墊片在不同壓力等級(jí)下的參數(shù)。第2組為2.5MPa公稱壓力的墊片在不同的公稱直徑下的參數(shù)。對(duì)上述兩組墊片，按照兩種方法分別計(jì)算出所需要的螺栓面積。第1組墊片需要螺栓面積的計(jì)算見(jiàn)表1，計(jì)算結(jié)果擬合曲線見(jiàn)圖1。第2組墊片需要螺栓面積的計(jì)算方法與表1相同，本文省略計(jì)算表格，僅給出計(jì)算結(jié)果的擬合曲線，見(jiàn)圖2。

表1 不同壓力等級(jí)下需要螺栓面積計(jì)算

①根據(jù)API 660—2015中7.8.2條，螺栓最大允許應(yīng)力為常溫屈服強(qiáng)度的70%；②根據(jù)API 660—2015中7.8.4條Table 3；③根據(jù)GB/T 150.3—2011中表7-2；④根據(jù)GB/T 150.2—2011中表12，設(shè)計(jì)溫度以200 ℃為例

圖1 不同壓力下需要的螺栓面積

圖2 不同公稱直徑下需要的螺栓面積

兩種計(jì)算方法對(duì)比結(jié)果如下。

(1)按照ASME PCC-1計(jì)算所需的螺栓安裝截面積遠(yuǎn)大于按照Taylor-Waters法計(jì)算所需的螺栓截面積，前者所需的螺栓面積約為后者所需螺栓面積的2倍。

(2)在相同公稱直徑的情況下，隨著壓力的升高，兩種方法算得的螺栓面積比值在下降，當(dāng)設(shè)計(jì)壓力為6.4 MPa時(shí)，比值僅為1.16。

(3)在相同設(shè)計(jì)壓力的情況下，隨著法蘭公稱直徑的增大，兩種方法算得的螺栓面積比值在下降。

形成上述結(jié)果的原因主要有以下幾個(gè)方面。

(1)ASME PCC-1以墊片在預(yù)緊和操作工況下需要的最小應(yīng)力代替了Taylor-Waters法中的墊片系數(shù)和墊片比壓力；

(2)Taylor-Waters法考慮的墊片壓緊面積約為整個(gè)墊片面積的一半，而ASME PCC-1考慮的墊片壓緊面積為整個(gè)墊片的壓緊面積；

(3)Taylor-Waters法考慮螺栓在預(yù)緊和操作工況下的應(yīng)力分別為常溫和設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力，其值僅約為常溫屈服強(qiáng)度的1/3和1/4，ASME PCC-1考慮的最大螺栓應(yīng)力約為常溫屈服強(qiáng)度的70%。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)比分析可以看出，ASME PCC-1與GB/T 150.3—2011中(Taylor-Waters法)螺栓載荷計(jì)算模型基本一致。但按照ASME PCC-1算得的需要螺栓面積遠(yuǎn)大于Taylor-Waters法算得的面積。對(duì)于法蘭的設(shè)計(jì)而言，螺栓載荷與面積是后續(xù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，更大的螺栓面積意味著更大的螺栓分布圓直徑和法蘭外徑；更大的螺栓載荷意味著更大的法蘭力矩和法蘭厚度。法蘭厚度等的增加可以提高法蘭的剛度、減小變形。較大的螺栓面積能夠提供更大的螺栓預(yù)緊力。這些對(duì)于提高法蘭接頭的強(qiáng)度和密封性能是有益的，但也將顯著增加材料、加工等成本。

從安全性和經(jīng)濟(jì)性兩方面考慮。在一般的使用條件下，按照Taylor-Waters法進(jìn)行法蘭設(shè)計(jì)仍是較優(yōu)的選擇；按照ASME PCC-1及API 660等標(biāo)準(zhǔn)給出的墊片參數(shù)設(shè)計(jì)較為保守，經(jīng)濟(jì)性較差。在條件特別苛刻的場(chǎng)合或所用墊片系數(shù)m和比壓力y數(shù)據(jù)的使用經(jīng)驗(yàn)不足時(shí)，按照ASME PCC-1方法計(jì)算需要的螺栓載荷和面積，可以作為T(mén)aylor-Waters法的補(bǔ)充和參考。通過(guò)適當(dāng)提高螺栓載荷和面積裕量增強(qiáng)法蘭接頭的安全性。

綜上所述，筆者認(rèn)為ASME PCC-1是螺栓連接的法蘭安裝指南，并非先進(jìn)的法蘭設(shè)計(jì)規(guī)范。其中關(guān)于螺栓安裝載荷和截面積的計(jì)算模型較為簡(jiǎn)單。其實(shí)質(zhì)就是通過(guò)提高墊片在操作和預(yù)緊工況下的最小應(yīng)力值，從而加大了需要的螺栓面積，進(jìn)而對(duì)法蘭的強(qiáng)度設(shè)計(jì)提出了更高的要求，這也是按照ASME PCC-1標(biāo)準(zhǔn)能夠減少法蘭接頭泄漏的主要原因之一。