一種試壓工況下法蘭應(yīng)力的校核方法

劉 宇

(南通賽孚機(jī)械設(shè)備有限公司，江蘇南通，226500)

壓力容器產(chǎn)品的試驗壓力高于設(shè)計壓力，一般約為1.25倍設(shè)計壓力[1]，如試驗壓力需要高于標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定值時，在耐壓試驗前應(yīng)校核各受壓元件在試驗條件下的應(yīng)力水平。但標(biāo)準(zhǔn)中并未明確試壓工況下受壓元件應(yīng)力的具體校核方法。

提高耐壓試驗壓力的情況一般包括：

(1)立式容器采用臥置進(jìn)行液壓試驗時，試驗壓力應(yīng)計入立置試驗時的液柱靜壓力。應(yīng)注意到：當(dāng)容器很長時有可能導(dǎo)致容器頂部殼體厚度不足，需要校核。

(2)工作條件下內(nèi)裝介質(zhì)的液柱靜壓力大于液壓試驗的液柱靜壓力時，應(yīng)考慮相應(yīng)增加試驗壓力。

(3)帶有安全閥、爆破片等超壓泄放裝置的壓力容器，如果設(shè)計時提出氣密性泄漏試驗要求，則設(shè)計者應(yīng)當(dāng)給出該壓力容器的最高允許工作壓力。這時應(yīng)以最高允許工作壓力代替設(shè)計壓力計算確定試驗壓力。

(4)對于兩腔壓力容器，如“某一腔”是正壓，隔壁“另一腔”是真空，則“某一腔”的試驗壓力至少應(yīng)該是1.25倍容器兩腔疊加危險工況時“公用元件”的計算壓力(如必要還應(yīng)計入液柱靜壓力)。

(5)在換熱器設(shè)計中，當(dāng)管程設(shè)計壓力高于殼程設(shè)計壓力時，在結(jié)構(gòu)允許條件下，可以適當(dāng)提高殼程試驗壓力，或者直接提高殼程設(shè)計壓力，甚至使得殼程試驗壓力直至等于管程試驗壓力，以便更方便、直觀檢查管板和換熱管之間焊接接頭的質(zhì)量，同時應(yīng)校核殼程其他元件在此試驗壓力下的強(qiáng)度及密封性能。

(6)對于設(shè)計壓力較低的容器，由于最小厚度的要求、負(fù)偏差、腐蝕裕量、計算圓整量的存在，往往使得殼體的名義厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于計算厚度；或者是對于不計覆層材料或堆焊材料強(qiáng)度的復(fù)合板容器，由于復(fù)合板總厚度大于僅考慮基層材料的計算厚度，從而導(dǎo)致按標(biāo)準(zhǔn)計算的試驗壓力下殼體應(yīng)力水平遠(yuǎn)低于壓力試驗所預(yù)期的應(yīng)力水平，難以達(dá)到通過“超壓”檢驗整體質(zhì)量的目的。

法蘭是壓力容器產(chǎn)品中普遍使用的一種承壓元件。法蘭的設(shè)計和選用不僅要滿足設(shè)計壓力、設(shè)計溫度等設(shè)計條件(參數(shù))的要求，還需要考慮壓力試驗工況下的應(yīng)力校核問題。由于產(chǎn)品的水壓試驗壓力高于設(shè)計壓力，不經(jīng)壓力試驗工況應(yīng)力校核過的法蘭，在容器打壓時容易出現(xiàn)變形、泄露等問題，從而導(dǎo)致法蘭的報廢和壓力試驗的失敗。本文根據(jù)法蘭的設(shè)計原理，結(jié)合工程實例，闡述了一種在試壓工況下對法蘭應(yīng)力的校核方法。

1 法蘭的計算原理

法蘭在法蘭力矩作用下，由組成法蘭的法蘭環(huán)、錐頸和圓筒三部分共同承載。為此在它們的連接邊界上分別作用有橫剪力Q1、Q2及彎矩M、M(以法蘭內(nèi)徑上單位圓周長度計)，其正向如圖1所示。

圖1 帶頸整體法蘭力學(xué)模型圖

上述邊界力分別對法蘭各部分引起應(yīng)力，其三個方向的計算應(yīng)力σH、σR、σT的位置及分布如圖2所示。法蘭設(shè)計中對此三個應(yīng)力進(jìn)行強(qiáng)度校核。

圖2 σH、σR、σT的位置及分布

法蘭環(huán)或錐頸任一部分出現(xiàn)微量的屈服時，其載荷就要轉(zhuǎn)移到另一部分來承擔(dān)。從保證法蘭密封可靠性來看，保證法蘭環(huán)有足夠的強(qiáng)度比保證錐頸的強(qiáng)度要更優(yōu)先考慮。因此取錐頸軸向應(yīng)力的許用值比法蘭環(huán)的要大，標(biāo)準(zhǔn)將其控制在1.5倍許用應(yīng)力，而其余兩個徑向和環(huán)向應(yīng)力則控制在1倍許用應(yīng)力。為了使法蘭環(huán)在錐頸輕微屈服時能有足夠的強(qiáng)度來承受轉(zhuǎn)移過來的載荷，就要求法蘭環(huán)有一定的能力儲備，所以標(biāo)準(zhǔn)將軸向應(yīng)力加徑向應(yīng)力的平均值和軸向應(yīng)力加環(huán)向應(yīng)力的平均值也控制在1倍許用應(yīng)力。

2 試壓溫度下法蘭的許用應(yīng)力和安全系數(shù)

由GB/T 150.1-2011《壓力容器》中第4.4可知，試壓溫度下法蘭的許用應(yīng)力[σ]f= min(Rm/2.7,ReL/1.5)，即安全系數(shù)分別為2.7和1.5。

式中：Rm——材料標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度下限值，MPa；

ReL——材料標(biāo)準(zhǔn)室溫屈服強(qiáng)度，MPa。

3 法蘭的分類

法蘭分為標(biāo)準(zhǔn)法蘭和非標(biāo)法蘭。

3.1 標(biāo)準(zhǔn)法蘭

設(shè)計人員只需根據(jù)設(shè)計工況從法蘭標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選用而不必進(jìn)行法蘭強(qiáng)度計算。但如何根據(jù)試壓工況進(jìn)行法蘭選用，各標(biāo)準(zhǔn)中只有HG/T 20592～20635-2009《鋼制管法蘭、墊片和緊固件》提到了此問題；在NB/T 47020～47027-2012 《壓力容器法蘭》、GB/T 29465-2012 《浮頭式熱交換器用外頭蓋側(cè)法蘭》卻未曾提及。

3.2 非標(biāo)法蘭

不能按以上法蘭標(biāo)準(zhǔn)直接選用，需要設(shè)計人員根據(jù)設(shè)計條件按相應(yīng)的壓力容器設(shè)計、計算標(biāo)準(zhǔn)(如GB/T150-2011)中法蘭的計算方法一章進(jìn)行設(shè)計計算來確定法蘭的結(jié)構(gòu)尺寸；但容器的設(shè)計、計算標(biāo)準(zhǔn)(如GB/T150-2011)中又未提及試壓工況下法蘭應(yīng)力如何進(jìn)行校核計算。

本文分標(biāo)準(zhǔn)法蘭和非標(biāo)法蘭兩種情況，根據(jù)法蘭的設(shè)計、計算原理和實際工程設(shè)計經(jīng)驗，對壓力容器法蘭的壓力試驗工況應(yīng)力校核方法進(jìn)行探析，并提供了實際工程中運(yùn)用過的具體算例供大家參考。

4 標(biāo)準(zhǔn)法蘭的壓力試驗工況下的應(yīng)力校核方法

目前壓力容器行業(yè)現(xiàn)行的法蘭標(biāo)準(zhǔn)有：HG/T 20592～20635-2009 《鋼制管法蘭、墊片和緊固件》、NB/T 47020～47027-2012 《壓力容器法蘭》、GB/T 29465-2012 《浮頭式熱交換器用外頭蓋側(cè)法蘭》，下面分別闡述各標(biāo)準(zhǔn)中的法蘭如何考慮壓力試驗工況下的應(yīng)力校核問題。

4.1 標(biāo)準(zhǔn)管法蘭

對于標(biāo)準(zhǔn)管法蘭能夠承受的水壓試驗壓力，在現(xiàn)行的壓力容器管法蘭標(biāo)準(zhǔn)HG/T 20592～20635-2009 《鋼制管法蘭、墊片和緊固件》中有明確規(guī)定；在HG/T 20592和HG/T 20635兩標(biāo)準(zhǔn)的第11章有相關(guān)規(guī)定：11.0.1法蘭原則上不進(jìn)行單個法蘭的壓力試驗；11.0.2當(dāng)法蘭安裝到管道或設(shè)備上以后，其水壓試驗壓力應(yīng)不大于本標(biāo)準(zhǔn)第7章規(guī)定的常溫時最高允許工作壓力的1.5倍。由此可見，對于管法蘭的選用只要按此規(guī)定執(zhí)行，即可以承受對應(yīng)的水壓試驗壓力。

4.2 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備法蘭

對于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備法蘭能夠承受的水壓試驗壓力，在現(xiàn)行的壓力容器設(shè)備法蘭標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47020～47027-2012 《壓力容器法蘭》和GB/T 29465-2012 《浮頭式熱交換器用外頭蓋側(cè)法蘭》中并未說明，這就需要設(shè)計者在選用標(biāo)準(zhǔn)法蘭時進(jìn)行充分的考慮，有的設(shè)計單位規(guī)定：設(shè)備法蘭在選用時按設(shè)計壓力提升一個等級選用，例如設(shè)計壓力是0.8MPa,而設(shè)備法蘭選1.6 MPa等級的；還有的單位對設(shè)備法蘭按水壓試驗壓力和溫度進(jìn)行計算；這樣雖然規(guī)避了壓力試驗時應(yīng)力超限的風(fēng)險，但同時也造成了材料的浪費(fèi)。因此筆者認(rèn)為，只有對法蘭進(jìn)行水壓試驗壓力下的應(yīng)力校核，才是最合理、最經(jīng)濟(jì)的做法。

標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備法蘭的壓力試驗工況應(yīng)力校核方法具體步驟為：

液壓試驗時：1.3倍試驗溫度下法蘭材料的許用應(yīng)力；氣壓試驗時：1.15倍試驗溫度下法蘭材料的許用應(yīng)力。

(2)對于螺栓、螺柱緊固件，應(yīng)校核其最大軸向拉伸應(yīng)力σt應(yīng)滿足下列條件：

液壓試驗時：σt≤0.9 ReL(RP0.2)；氣壓試驗時：σt≤0.8 ReL(RP0.2)。

上式中：σt ——試驗壓力下法蘭的應(yīng)力，MPa；ReL(RP0.2)——圓筒材料在試驗溫度下的屈服強(qiáng)度(或0.2%規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度)，MPa。

5 非標(biāo)法蘭的壓力試驗工況下的應(yīng)力校核方法

當(dāng)法蘭的結(jié)構(gòu)尺寸或應(yīng)用條件超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的使用范圍時，就必須進(jìn)行非標(biāo)法蘭的設(shè)計。在進(jìn)行非標(biāo)法蘭設(shè)計時，可以參考相近的標(biāo)準(zhǔn)法蘭初定各結(jié)構(gòu)尺寸，經(jīng)各應(yīng)力計算、校核合格后使用，具體設(shè)計步驟為：

(1)確定墊片材料、形式及尺寸。

(2)確定螺栓材料、規(guī)格及數(shù)量。

(3)確定法蘭材料、密封面型式及結(jié)構(gòu)尺寸。

(4)進(jìn)行應(yīng)力校核。

(5)進(jìn)行剛度校核。

(6)試驗壓力下的法蘭的應(yīng)力校核。

(7)試驗壓力下法蘭螺栓的應(yīng)力校核。

具體設(shè)計方法詳見GB/T150.3的“法蘭”一章，在此不做贅述，法蘭和螺栓的試驗壓力下的應(yīng)力校核同1.2中內(nèi)容。

6 算例

以長頸對焊法蘭為例，設(shè)計壓力p=5MPa，設(shè)計溫度t=150℃，法蘭材料為16MnⅢ，圓筒直徑為DN=1500mm，圓筒材料為Q345R，圓筒厚度δn=28mm，腐蝕裕量C2=3mm,墊片采用不銹鋼纏繞墊。法蘭尺寸如圖3所示。

圖3 法蘭尺寸圖

運(yùn)用SW6計算軟件對法蘭進(jìn)行校核計算，得出法蘭厚度為115mm(如表1所示)。

表1 法蘭計算結(jié)果

再對該法蘭進(jìn)行壓力試驗工況應(yīng)力校核，具體方法步驟為：

(2)1.3倍試驗溫度下法蘭材料的許用應(yīng)力為:1.3[σ]f=1.3×174=226MPa。

(3)在SW6計算軟件材料庫里面新建材料“16Mn試壓”，將其許用應(yīng)力設(shè)置為226 MPa。

(4)運(yùn)用SW6計算軟件對法蘭進(jìn)行壓力試驗工況應(yīng)力校核(如表2所示)，發(fā)現(xiàn)法蘭厚度115mm不能滿足要求。

表2 法蘭液壓試驗應(yīng)力校核結(jié)果

(5)將法蘭厚度調(diào)為130mm，運(yùn)用SW6計算軟件對法蘭進(jìn)行壓力試驗工況應(yīng)力校核(如表3所示)，計算通過。

表3 法蘭液壓試驗應(yīng)力校核結(jié)果

再對法蘭螺栓進(jìn)行應(yīng)力校核，其最大軸向拉伸應(yīng)力σt應(yīng)滿足下列條件：液壓試驗時σt≤0.9 ReL。

從SW6法蘭水壓試驗應(yīng)力校核計算書中得到螺栓載荷Wp=9015771N，又知螺栓數(shù)量為64，螺栓根徑d1=31.7mm，則單個螺栓截面積為789.2mm2,則:

σt=Wp/64/789.2=9015771/64/789.2=178.5 MPa。

0.9 ReL=0.9×295=265.5 MPa。

σt≤0.9 ReL,螺栓校核通過。

7 結(jié)語

通過算例可以看出，倘若不進(jìn)行試驗壓力下的法蘭的應(yīng)力校核，則法蘭厚度115mm滿足設(shè)計條件的要求，會被設(shè)計者所采用，但不滿足液壓試驗對法蘭強(qiáng)度的要求，從而會導(dǎo)致產(chǎn)生液壓試驗時法蘭變形與泄露的問題。另外，如果不對螺栓進(jìn)行液壓試驗下的應(yīng)力校核，就有可能出現(xiàn)螺栓強(qiáng)度不足而屈服甚至斷裂，造成泄露和安全隱患。由此可見，對法蘭和螺栓進(jìn)行試驗壓力下的應(yīng)力校核是十分必要的。