應(yīng)用ASME PCC-1附錄O設(shè)計法蘭的一些注意事項

楊建良，楊湖

（無錫化工裝備股份有限公司，江蘇 無錫 214131）

盡管傳統(tǒng)的法蘭設(shè)計方法即Waters 法被大多數(shù)壓力容器建造規(guī)范所引用，而且歷經(jīng)半個多世紀的工程實踐也表明絕大多數(shù)按照該方法設(shè)計的法蘭沒有因強度問題而發(fā)生明顯泄漏的情況。但是由于以下幾方面的原因，少數(shù)按照傳統(tǒng)方法設(shè)計的螺栓法蘭接頭發(fā)生了泄漏。

首先，傳統(tǒng)的法蘭設(shè)計方法僅考慮用墊片系數(shù)m和墊片密封比壓力y來設(shè)計法蘭，而m和y值是基于實踐經(jīng)驗和某些試驗得到的，缺乏理論依據(jù)。單純的墊片系數(shù)和比壓力不能夠全面反映墊片的密封性能。

其次，傳統(tǒng)的法蘭設(shè)計無法確切得到法蘭達到實際密封時所需的螺栓載荷。按其計算得到的螺栓載荷僅僅用于確定螺栓的規(guī)格大小和法蘭的結(jié)構(gòu)尺寸[1]。計算得到的螺栓載荷通常與安裝時所需要的實際螺栓載荷不一致。壓力容器的操作存在波動，螺栓載荷的不足或過大會導致在實際操作過程中螺栓法蘭接頭出現(xiàn)泄漏。

再次，盡管ASME 委員會在2007 年正式將法蘭剛度計算引入規(guī)范強制性附錄中，但是這一剛度準則是基于在設(shè)計和操作工況下用戶的經(jīng)驗得到的，僅作為螺栓法蘭接頭設(shè)計和安裝提供密封的一種保證，不能確保泄漏率在允許的范圍內(nèi)。

鑒于以上幾方面原因，國際上的一些工程規(guī)范從ASME PCC-1 2010 版發(fā)布之后起就開始將其引入到工程實踐中。API 660—2015 版更是將其收錄其中，供工程公司和業(yè)主選用。此要求一旦被工程公司或業(yè)主選定，則在法蘭設(shè)計中需要嚴格執(zhí)行。

1 ASME PCC-1和WRC 538

ASME PCC-1 是美國機械工程師協(xié)會為確保壓力容器中的螺栓法蘭連接接頭不出現(xiàn)泄漏失效而編寫的指導性技術(shù)文件[2]，適用于帶環(huán)形墊片的壓力邊界法蘭接頭，這些墊片完全在由螺栓孔圍成的圓圈內(nèi)，并且在圓圈外沒有接觸，即我們通常所說的窄面墊片。ASME PCC-1 目前的版本是2019 版。

ASME PCC-1 分為正文和附錄兩個部分。正文部分是對裝配螺栓法蘭接頭的整個過程中所涉及的檢查、校驗、安裝、拆卸等方面提出的具體要求。附錄部分則是對正文內(nèi)容的進一步補充，正文部分中所提及的檢驗、安裝、拆卸等要求的合格指標則在附錄部分詳細說明[3]。ASME PCC-1 2019 版一共有17 個附錄，其中附錄O 是確定螺栓裝配應(yīng)力，對控制法蘭泄漏，指導法蘭設(shè)計有著重要意義。附錄O 旨在為確定適當?shù)难b配螺栓應(yīng)力提供指導，并適當考慮接頭的完整性。

壓力容器和管道中螺栓法蘭連接處的泄漏常常是由于螺栓預(yù)緊不當或不充分造成的。ASME PCC-1附錄O 在確保承壓設(shè)備中螺栓法蘭接頭完整性方面邁出了一大步。經(jīng)過相關(guān)研究人員若干年的努力，得到了確保密封可靠性相關(guān)方面的記錄。這一目標的實現(xiàn)，得益于WRC 壓力容器研究委員會組織的一項由Warren Brown 領(lǐng)導的研究。這一研究的目的是為了獲取評估和支持ASME PCC-1 附錄O 中所含程序所需的技術(shù)。

ASME PCC-1 附錄O 用于確定壓力邊界接頭裝配螺栓荷載發(fā)展始于2005 年初，是Chevron 公司在管道接頭上法蘭過度變形（法蘭旋轉(zhuǎn)）現(xiàn)場經(jīng)驗的直接結(jié)果。該方法建立在Warren Brown 先前工作的基礎(chǔ)上，在選擇適當?shù)难b配螺栓載荷時考慮了適當?shù)膲|片應(yīng)力極限。這項工作僅考慮了墊片和螺栓的限制，而忽略了法蘭作為限制因素的可能性。盡管這種方法在大多數(shù)情況下都有效，但人們發(fā)現(xiàn)，在某些情況下，法蘭會產(chǎn)生過度變形，從而引發(fā)一個問題，即整個接頭（包括法蘭）的適當極限應(yīng)為多少。

這導致Warren Brown 在此之后進行了一系列研究，最終的研究成果形成了WRC 538 公報。

WRC 538 公報記錄了ASME PCC-1 附錄O“確定裝配螺栓應(yīng)力”方法的發(fā)展。它提供了方法開發(fā)過程中所引用到的參考文獻，并提供額外的細節(jié)來幫助理解和發(fā)展該方法。

WRC 538 公報提供了歷史發(fā)展文章的參考資料、解釋了該方法的基礎(chǔ)理論、如何應(yīng)用ASME 規(guī)范公式來確定法蘭極限的步驟指南，以及對其中提出的彈塑性有限元分析（FEA）方法的說明。

由此可見，在應(yīng)用ASME PCC-1 附錄O 設(shè)計法蘭的同時，需要理解運用WRC 538 公報。這兩者相輔相成，缺一不可。

2 ASME PCC-1 附錄O 計算步驟

ASME PCC-1 附錄O 提供了確定安裝螺栓應(yīng)力的兩種計算方法： （1）簡易方法。這種方法便于應(yīng)用，但法蘭連接的個別元件可能發(fā)生損壞；（2）較復雜的、基于連接各元件的完整性方法即接頭元件法。

接頭元件法充分考慮了法蘭接頭中各個元件的極限承載能力、保證密封需要的墊片應(yīng)力、所有操作載荷和墊片松弛等情況，既能保證法蘭結(jié)構(gòu)的完整性，又能控制法蘭接頭密封性。但是運用接頭元件法需要通過試驗或者從墊片廠商處獲得一些計算上所需的完整信息[4]。

鑒于工程設(shè)計中都是考慮完整的螺栓法蘭接頭，故下文僅敘述接頭元件法的計算步驟。

按接頭元件法確定安裝螺栓應(yīng)力分為8 個步驟，如下：

3 注意事項

執(zhí)行ASME PCC-1 附錄O 計算，有以下這些方面需要注意。

（1）最小允許螺栓應(yīng)力值Sbmin取常溫下的螺栓材料屈服強度的40%。

（2）最大允許螺栓應(yīng)力值Sbmax取常溫下的螺栓材料屈服強度的70%。

（3）安裝墊片的應(yīng)力取值按照API 660 表3。

（4）對于多管程的換熱器，墊片面積的計算需要考慮墊片隔筋的面積。工程實踐上的做法是至少考慮一半的墊片隔筋面積。

（5）對于管板兩側(cè)成對法蘭的設(shè)計壓力應(yīng)考慮可能出現(xiàn)的最大壓差，以此最大壓差作為Pmax進行計算。

（6）管板兩側(cè)成對法蘭的目標螺栓應(yīng)力Sbsel值應(yīng)是同一值。對于殼程側(cè)的法蘭，由于墊片沒有隔筋，墊片面積要小于管程側(cè)墊片的面積，容易造成設(shè)計人員對Sbsel取值不一樣。

（7）確定步驟8 中法蘭旋轉(zhuǎn)極限的Sfmax值需要引用WRC 538 中的公式法，將螺栓的安裝應(yīng)力逐漸增加，直至按公式法修正后的法蘭應(yīng)力有一項超過公式法的合格指標為止；

（8）法蘭達到旋轉(zhuǎn)極限產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)角θfmax可以按照法蘭剛度計算公式確定；

（9）按WRC 538 計算修正后的法蘭應(yīng)力所用的彎矩要考慮全螺栓載荷；

（10）由于在高溫操作條件下不銹鋼法蘭的屈服強度會明顯降低，故在確定不銹鋼法蘭的旋轉(zhuǎn)極限時應(yīng)按屈服強度比值減小[5]，即S'fmax=Sfmax（Syo/Sya）；

（11）WRC 538 公式法確定法蘭旋轉(zhuǎn)極限只適用于帶頸對焊法蘭，其他型式的法蘭需要采用彈塑性有限元分析方法來確定法蘭旋轉(zhuǎn)極限。

（12）只有外部法蘭接頭需要考慮ASME PCC-1附錄O 計算[6]，對于浮頭法蘭并不適用。浮頭法蘭是否需要執(zhí)行附錄O 計算，需要與工程公司或業(yè)主提前確認。

4 結(jié)束語

考慮ASME PCC-1 附錄O 計算是為了避免螺栓法蘭接頭出現(xiàn)泄漏。螺栓法蘭接頭必須達到螺栓安裝應(yīng)力水平，以提供足夠的應(yīng)力來固定墊片。安裝墊片應(yīng)力應(yīng)足夠大，最好能夠達到墊片允許應(yīng)力的上限，防止在操作條件下墊片出現(xiàn)應(yīng)力松弛[7]。

執(zhí)行ASME PCC-1 附錄O 計算的法蘭明顯會比按規(guī)范[8]設(shè)計的法蘭要笨重，螺栓明顯要粗。壓力容器的建造成本會比僅按規(guī)范設(shè)計法蘭的成本要高。這就需要設(shè)計人員在項目開始階段認真閱讀項目規(guī)范，確定法蘭設(shè)計是否需要考慮ASME PCC-1 附錄O 計算，避免返工，重復勞動。

在項目招標階段，工程技術(shù)人員要落實項目有無此要求，這影響到造價成本，避免造成一些不必要的損失。由于執(zhí)行ASME PCC-1 附錄O 的計算同時需要結(jié)合WRC 538，反復迭代，過程繁瑣。而法蘭旋轉(zhuǎn)極限降低系數(shù)（Syo/Sya） ＜1.25φg[9-11]，φg取值為0.7，故筆者建議在招標階段法蘭的設(shè)計考慮采用法蘭材料在設(shè)計溫度下許用應(yīng)力值的88%，從而彌補由于未考慮ASME PCC-1 附錄O 計算所造成的損失。

此外，API 660 僅規(guī)定設(shè)備法蘭的設(shè)計需要考慮ASME PCC-1 附錄O 的計算，而對于延長部分兼做法蘭的固定式管板和T 型浮動管板沒有提及如何處理?；谏鲜鐾瑯釉?，筆者建議降低這兩種管板的許用應(yīng)力，計算時考慮其設(shè)計溫度下許用應(yīng)力值的88%。