螺栓-垫片-法兰连接设计方法及标准的发展和应用
作为过程设备及管道连接的关键部件，螺栓－垫片－法兰连接以其拆装方便、经济安全、易于更换等优点而常为工程设计人员所采用。实际上，法兰连接已是压力容器和管道中最常用的连接形式，据统计，一个大型炼油厂的法兰连接接头就达数十万乃至百万计。随着装置的大型化、操作工况的极端 化，一旦连接接头密封失效，将对整个生产过程产生严重影响。因此，法兰连接接头的力学性能和密封性能将直接影响生产人员的安危和生产装置的安全运行。螺栓－垫片－法兰连接接头由螺栓、螺母、垫片、 法兰组成，依靠法兰、螺栓、螺母的强度和垫片本身的密封性能，借助连接螺栓通过法兰压紧面压紧垫片，使垫片在压紧力的作用下发生弹性或塑性变形以填塞法兰压紧面间的缝隙或缺陷而达到密封的目的。从法兰设计与计算的观点出发，连接接头的力学性能和密封性能两大因素共同决定了接头的实际运行效果。从１８９１～１９１１年 德 国 Ｂａｃｈ法 到２００９年 欧洲的新 ＥＮ１５９１标准，一百多年来，法兰连接计算方法的研究不断前进。早期法兰连接计算依据是强度理论，这一根深蒂固的理念一直沿用到现在的工程设计中。1891～1911年间，德国的巴赫提出了Ｂａｃｈ法，1905年美国的Locomotive提 出 了Locomotive法，两者都是基于梁的弯曲强度理论，也称为运动法。第一个相对精确的方法于1927年由water和Taylor提出，这一方法是基于弹性基础梁和圆板弯曲理论，最终在1937 年 water、Wesstorn、Rossheim、Wiliams公布了他们的研究成果——— Ｔａｙｌｏｒ－Ｆｏｒｇｅ法。1940年，ＡＳＭＥ Ⅷ－１最早 版本出现时，就收入了Ｔａｙｌｏｒ－Ｆｏｒｇｅ法，并几乎立即得到采用，而且成为目前ＡＳＭＥ规范法兰连接设计的基础。1942年，Ｒｏｓｓｈｅｉｍ 和 Ｍａｒｋｌ发表的论文中，提出了垫片载荷常数概念，即垫片系数 ｍ 和最小预紧力ｙ。很快，ＡＳＭＥ 收 入 了 ｍ、ｙ 参 数，进一步完善了ＡＳＭＥ规范的设计方法，使其成为一个有价值的设计方法（简称 ＡＳＭＥ 法）。遗憾的是虽然了经过了近半个世纪的发展，ＡＳＭＥ 规范的方法做了一些修改完善，但始终没有考虑密封性的要求。２０世纪 ５０年代，德国 Ｓｃｈｗａｉｇｅｒｅｒ 提出 Ｓｃｈｗａｉｇｅｒｅｒ法，此方法是以塑性铰的概念为基础，即用法兰和颈之间危险截面处的塑性失稳力矩来控制法兰设计。之后不久，Ｈａｅｌｎｅ 和 Ｋｅｒｋｈｏｆ 对 Ｓｃｈｗａｉｇｅｒｅｒ法提出了一些修改和建议，在此基础上， １９６４年 ＤＩＮ２５０５第一个版本颁布，与以往不同的是该标准既包括了应力分析又包括了密封性分析。进入２０世纪７０年代，面对法兰连接设计研究日趋为人们所重视以及欧洲法兰连接获得一系列新的研究成果，美国 ＡＳＭＥ锅炉和压力容器委员会压力容器委员会（ＰＶＲＣ）提出了一种基于泄漏准则的螺栓载荷计算方法，至 此，被后来称为ＰＶＲＣ 法的法兰连接计算方法研究正式启动。ＰＶＲＣ 经过近３０ａ的研究，在１９９４年公布了其研究成果———提出了有重要意义的３个垫片参数（与装配过程关联的Ｇｓ和ａ以及与操作过程有关的Ｇｂ）。该方法虽然依旧基于 Ｔａｙｌｏｒ－Ｆｏｒｇｅ方法理论，但在螺栓载荷计算中考虑到了紧密度要求，也就是说在法兰连接设计过程中加入了密封性的要求。随着欧洲一体化进程的加快，特别是在１９９３年欧洲统一大市场基本形成及１９９７年欧元的顺利启动，面对新的形 势，欧洲委员会（ＥＣ）下属的欧洲标准协会法兰及其接头的技术委员会（ＴＣ）制定了一系列标准。１９９７年，ＴＣ 委员会中专门从事法兰连接设计方法研究的 ＷＧ１０ 小组公布了 ｐｒＥＮ１５９１－１，并于２００１年得到正式批准颁布。同时从事垫片研究的 ＷＧ８小组制定了 ＥＮＶ１５９１－２，在２００４年又 做了一些修订，颁布了 ＥＮ１３５５５。一般简称 ＥＮ１５９１系列标准中的法兰连接设计 方法为 ＥＮ 法或 ＥＮ１５９１法，它是一种基于密封性－ 紧密度的设计方法。此方法不仅考虑到了变形协调关系，把法兰连接接头的密封性作为设计的唯一目标，而且，ＥＮ 法中法兰环的强度条件是基于在切向应力作用，整个界面达到屈服，正是这两点保证 了接头的密封性和完整性。基础依据的发展在现行的ＡＳＭＥ规范中，法兰连接设计基本依据是 Ｔａｙｌｏｒ－Ｆｏｒｇｅ法的强度设计，它仅考虑螺栓－ 垫片－法兰连接在结构上能否保证安全 （结构完整性），即限制螺栓和法兰的线弹性强度，而不能保证泄漏率在确定的范围之内（接头密封性）。在力学模型引用中，它仅考虑法兰为一弯曲环板，忽略了垫片、螺栓在模型中的力与变形关系，进而没有考虑到变形协调关系，这是其没有涉及连接紧密度的根源。在力学模型引用中，它仅考虑法兰为一弯曲环板，忽略了垫片、螺栓在模型中的力与变形关系，进而没有考虑到变形协调关系，这是其没有涉及连接紧密度的根源。对于计算载荷而言，它仅考虑端部推力，忽略了外载荷和热载荷，同时，因其强度是基于弹性准则，这也是该方法比较保守的一重要因素。关于ＰＶＲＣ方法，其法兰弹性应力分析和强度准则与现行的 ＡＳＭＥ方法相比基本不变，即其力学模型仍然是基于 Ｔａｙｌｏｒ－Ｆｏｒｇｅ法的强度设计。但在确 定螺栓载荷时，通过引用垫片常数Ｇｓ、Ｇｂ、ａ，进而引入连接紧密性准则，使计算得出的螺栓载荷更精确。ＥＮ１５９１系列 标 准 的 颁布是螺栓－垫片－法兰连接紧密性设计的一个重要标志。在ＥＮ法中，力学模型不仅考虑垫片和螺栓的压缩、拉伸，而且计算载荷涉及到了径向压力、轴向热膨胀差（热载荷）、轴向力与外弯矩（外载荷），同时接头的完整性是基于螺栓、垫片、法兰的塑性准则。ＥＮ 方法的唯一设计目标是法兰接头的密封 性，通过对法兰接头部件之间的载荷－变形关系的弹性分析，计算出装配工况和随后各种操作工况下的垫片应力。它从整个连接系统的弹性力平衡和变形 协调关系的角度出发，进而确定包括装配和其后各工况下的接头行为。目前，在法兰密封连接的研究中，比较典型的有ＡＳＭＥ法、ＰＶＲＣ法以及 ＥＮ１５９１法３种。三者由不考虑密封性，到考虑一定程度的紧密度，再到依据紧密度，逐次地改进了法兰密封设计。2.１ 参数性能现行的 ＡＳＭＥ 规范涉及到 ｍ、ｙ 这２个 参 数， ＰＶＲＣ法涉 及 到 Ｇｓ、Ｇｂ、ａ 这３个参数，而最新的ＥＮ１５９１涉及Ｑｓｍａｘ等６个参数。在我国现今的实际密封工程设计中，虽然也出现了一些新的设计方法，如南京工业大学顾伯勤的紧密型设计方法，但目前主流设计仍然采用的是 ＧＢ１５０中法兰一节相关设计方法，它实际上 与 ＧＢ／Ｔ１７１８６—１９９７《钢制管法兰连接强度计算方法》中的计算方法Ａ、日本标准ＪＩＳ２２０５—１９９１《ＢａｓｉｓｆｏｒＣａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆＰｉｐｅＦｌａｎｇｅｓ》 是相同的。ＰＶＲＣ 方法现在仍采用ＡＳＭＥ规范方法，而没有使 用 新 研 究 的 ＰＶＲＣ 法，其原因是新研究的ＰＶＲＣ法与泄漏率完全相关，其中Ｇｓ、Ｇｂ、ａ这３个参数是紧密度参数Ｔｐ 的函数，而实际工程中很难将一实际介质和工况条件去对应一紧密度参数。正是实际中存在的这些困难，使得原计划在 ＡＳＭＥ Ⅷ－２Ｅｄｉｔｉｏｎ２００７中发布的法兰连接设计的新方法被再次投票否决。ＥＮ１５９１方法 在 ＥＮ１５９１之前，大多数国家的法兰连接设计方 法（包 括 ＰＶＲＣ 法）都存在设计依据与密封结构失效形式不相吻合的问题，而 ＥＮ 法的出现结束了这一形态。3、经济与安全分析3.1 基础原理从螺栓－垫片－法兰连接接头的密封原理上讲， 当采用螺栓－垫片－法兰来达到一定的密封要求时，设计过程须同时考虑螺栓、垫片、法兰间的相互作用力和变形关系。因此，衍生出了如上所述的各种参数。实际上，通过螺栓与非金属垫片的受力和变形分析，不难得出真正的中心参数只有２个——螺栓预紧载荷和螺栓工作载荷。在拧紧螺栓的过程中，垫片比压力逐渐升高，直至螺栓的预紧力为Ｆｂ。工作开始以后，流体介质通入，垫片比压力以较快的速度减小。但只要垫片残余的比压力大于为达到密封要求而需要在垫片上施加的最小压力ＦＲ，即可实现一定紧密度的密封，正是Ｆｂ和ＦＲ 涉及到了螺栓、垫片、法兰的本身性能以及温度、介质、外载等各种工况条件，进而引出了文中提及的各种参数。无论是基于哪种准则的计算方法，它们的目的只有一个——在保证接头一定紧密度的要求下，设计出更加安全经济的螺栓－垫片－法兰连接接头。那么，在一定的温度、压力、介质工况和确定的密封结构条件下，垫片与法兰的选择基本能确定，而剩下的螺栓直径和个数的确定将直接影响法兰连接接头的经济性。因此，对各种设计方法进行经济性对比时， 可忽略上述众多参数对比，而直接采用Ｆｂ、ＦＲ、螺栓直径和螺栓个数进行对比。可以预测，在相同的密封要求及安全条件下，现行的 ＡＳＭＥ规范法、ＰＶＲＣ法、ＥＮ 法的经济性依次增高。预测根据如下：在 ＡＳＭＥⅧ－１附录 Ｓ螺栓法兰连接的设计考虑中表明，螺栓的最大许用力值是按规则确定最少螺栓数量时所用的设计值，但要注意分清设计值与螺栓实际应力或与设计压力不同情况下所需的应力差别。在任何情况下，显然在拧紧螺栓时产生的螺栓预紧力，可能且在某些情况下必须大于设计值。不妨这样假设，某一螺栓的最大许用应力值为２００ＭＰａ，最少螺栓数为４，则４个螺栓的设计值为 ２００ＭＰａ。在相同工况条件下，假设８个螺栓时设计值应该大约为１００ＭＰａ，１６个时应该大约为５０ＭＰａ。因此，只要螺栓数量大于４时，最大许用应力都大于此时的设计值，而若根据最大许用力计算得出施加在螺栓上的载荷（现行的 ＡＳＭＥ法），此值要远大于此时由设计值得出的载荷。
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