不同标准下法兰最大许用弯矩的对比研究

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1 法兰连接简介1.1 法兰结构的特点及密封机制法兰连接不仅是石油化工装置中常见的连接形式，也是现代工业中应用最普遍的连接形式。

石油化工行业的生产过程中，很多产品或原料都对环境或人体存在不同程度的危害；特别是高温高压的油气管道，-旦泄漏将可能导致灾难性的事故。因此，法兰连接系统在各种工况条件下是否能保证安全、长期的工作成为工程中的重要问题 。

法兰连接由-对法兰、-个垫片及若干螺栓螺母组成，其垫片密封方式属于强制密封。法兰结构通过鹏螺栓将垫片压紧，迫使垫片发生压缩变形。当螺栓压紧力达到-定程度时，可使得法兰与垫片之间密封面上的凹凸不平处被垫片的变形所填充，从而阻止流体介质沿密封面的渗漏。

泄漏是法兰失效的主要形式，与密封结构、被连接件的刚度、密封件的性能、操作和安装等许多因素有关〖虑到法兰密封及其受力特点，法兰在外载荷的作用下发生形 变后能否满足密封要求 ，需要考虑多方面的因素有法兰强度、法兰刚度和螺栓预紧力等。法兰的强度要求就是在外载荷的作用下，其最大应力不能超过法兰材料的许用应力；法兰刚度是指法兰的变形偏转角度应小于许用值，以免失效；而螺栓预紧力则是保证垫片表面压力的重要因素。预紧力过小，垫片单位面积上受到的压紧力较小，达不到预紧密封比压；预紧力过大，会导致垫片屈服破坏、法兰永久变形、螺栓应力过大，最终造成法兰连接泄漏。-般来说，需承受较大外载荷的法兰，其预紧力的要求也会较大。

1.2 当前工程中法兰选用方法的差异通过几个算例来分析目前工程中选用标准法兰的几种方法 ：算例-：DN200 AlO5法兰，操作温度 400℃，操作压力为0.5 MPa，力矩为 7 100 N·m，轴向力不计。

1)若直接根据 ASME B16.5等级表 1.1选择法兰 150 CL(额定压力为 0.65 MPa)。

2)采用当量压力法n-4 进行计算：外载当量压力 P 。-1.5 MPa，总体 当量压力 P 。-2.0MPa，可见 150 CL的法兰 已经不能满足要求 ，而300 CL 的法 兰 在 400 ℃ 的额 定 压 力 为 3.47MPa，因此选用 300 CL的法兰。

3)采用 ASME法兰应力计算法计算 DN200150 CL的法兰可得叫 ：SH166.1 MPaI.5Esf]；SR-67.3 MPa<[Sf]；ST- 71.3 MPa<[Sf]；Sc-118.7 MPa[Sf]；Sb-74.1 MPa<[Sb]。

作者简介：王斌斌，男，2010年毕业于中国科学院力学研究所固体力学专业，理学博士，现从事压力管道应力分析工作，工程师。

Email：wangbinbin###sei.com.cn石 油 化 工 设 备 技 术算例 二：DN600 A105的法 兰，操 作 温 度400。C，操作压力 2.0 MPa，力矩为 36 kN·ITI，轴向力不计。

1)若直接根据 ASME B16.5等级表 1.1选择法兰 300 CL(额定压力为 3.47 MPa)。

2)采用当量压力法进行计算.夕 载当量压力P 。-2.26 MPa，总体当量压力 PF。-4.26 MPa，可见 300 CL的法兰 已经不能 满足要求 ，而 600CL的法兰在 400。C 的额定压力为 6.94 MPa，因此选用 600 CL的法兰。

3)采用 ASME法兰应力计算法计算 600 CL法兰的应力 ：SH-166.1 MPa>1.5[Sf]；SR-67.3 MPa<[Sf]；ST-71.3 MPa [sf]；Sb-74.1 MPa<[S ]。

其中[sf]101.3 MPa，Esb]-152.5 MPa，可见 600 CL的法兰并不满足法兰设计的强度要求 。

从以上算例可以看出对于同-工况采用不同的分析方法，其结论是不-致的。本文讨论的法兰分析方法有当量压力法(ASME NC3658.1)、ASM E NC3658.2t 、ASME NC3658. 3m 以 及ASME SectionⅧ中的法兰设计应力计算法 ∮下来本文对以上四种方法分别进行介绍。

2 常用法兰承载能力分析方法2.1 ASME NC3658.1(当量压力法)当量压力法 (以下简称 NC3658.1)源 自Kelogg2E程公司，其应用简单方便，已被世界各大工程公司广泛采用。ASME NC3658.1标准介绍的就是当量压力法 ，此外我 国 GB/T 20801及SH/T 3059-2011等标准中也是采用了这个方法。SH/T 3059～2O1l《石油化工管道设计器材选用规范》中指出当法兰除承受 内压外 ，还 承受较大附加荷载(如重力荷载、位移荷载等)时，可采用法兰的当量压力校核法兰的承载能力，法兰的当量压力不宜大于法兰的许用工作压力” ，即当管道法兰所承受的由管道自重和热膨胀所产生的力和力矩，应折合成当量压力校核法兰的承载能力 。

法兰的当量压力按下式确定 ：PFD- P P 。 (1) (2)式中：P 。- -法兰当量压力 ，MPa；P- -介质工作压力 ，MPa；P 。-- 由附 加外 载 产生 的 当量 压力，MPa；M - -操作工况 时附加在法 兰连接处 的力矩 ，N·mm；D --垫片压紧力作用中心圆直径，mm；F--附加在法兰连接处 的轴向力，N。

为安全考虑，当所受轴向力为拉力时计人公式；当所受轴向力为压缩力时，因对法兰连接的密封有利，故不考虑。若所校核的法兰当量压力超出法兰在当前工况下的许用应力则应选择更高压力等级的法兰。当量压力法应用简单明了，但是实践证明很多情况下该方法具有相当的保守性，当量压力法是从对垫片的受力变形出发对联接紧密性作出预判。其保守性主要来自于两个方面：第-，NC3658.1认为外部弯矩完全作用在垫片上，忽略了螺栓等结构所承担弯矩的影响；第二，ASME标准法兰等级表中的额定压力的保守程度并没有量化。

2.2 ASME NC3658.2 JNC3658.2仅 适用 于压力 不超 过 700 kPa，温度不超过 95。C，并且符合 ASME B16.5a、MMS SP-44、ASME B16.47a、ANSI/AWWAC207 Class E 标 准 之 - 的 法 兰n 。 ASMENC3658.2规定如下 ：M。≤ Ab( /4 (3)式中：MO--法兰临界弯矩 ，N·mm；Ab--螺栓横截面总面积 ，ITlm ；C--螺栓中心圆直径，mil；s---螺栓材料的许用应力，MPa。

NC3658.2是从限制螺栓应力 出发。但-定程度内的弯矩变化不会引起螺栓力的显著变化，而是导致垫片压力的再分配D 。也就是说发生泄漏时的法兰，其螺栓可能并没有处于极限拉伸状态，因此从限制螺栓应力方法的出发点考虑有待商榷。

2.3 ASME NC3658.3ASMENC3658.3适用于高强度螺栓(当温度为 38。C时 S≥138 MPa)的法兰连接 ，该标准从法兰强度的要求出发对最大许用弯矩进行限制。

石 油 化 工 设 备 技 术2中列出了计算工况 2下对于 DN100法兰三种校核方法的最大允许弯矩的计算值。由于工况 2的设计压力(1 MPa)已经超出 150 CL法兰的额定值(0.65 MPa)，图中没有列出 NC3658.1法在150 CL 的数 据。同时 由于计算 条件 已超 出NC3658.2的适用范围，图中也没有列出其相关数据。图 2整体曲线的趋势与图 l相似，可以看出在法兰等级大于 600 CL时，NC3658.1给出了三者中最大的预测值。

16()000l40000120 0001000008000060 000400002000000 500 l 000 l 500 2 000 2 500法兰等级/CL图 1 计 算工况 l下 DN100法兰在 四种校验方法下的最大允许弯 矩 C3658.1： NC36582：-.1ip.- (；36583： ASME暑钟-L<0 500 l 000 l 500 2 000 2 500法兰等级/CL图 2 计算工况 2下 DN100法兰在三种校验方法下的最大允许弯矩- 41-"NC3658.1：-.tl-NC36583：-- ASME需要注意的是 NC3658.2有严格的适用范围(温度大不于 95℃，压力不大于 0.7 MPa)。从公式(3)可见，NC3658.2计算结果主要受法兰和螺栓 的结构 尺 寸 以及螺 栓材 质 的许 用应 力 的影响。本文所选用的螺栓材质为 A193-B7，其许用应力随温度变化不大：21℃时为 158.6 MPa，在 400。C时为 152.5 MPa1。同时由于公称直径相同的法兰随等级的增加其尺寸只是略有增加，因此 图 1中 NC3658.2的曲线相对平缓。

NC3658.3主要受法兰和螺栓 的结构尺寸以及法兰材质的屈服强度 的影 响。本文法兰材质选用A105，其屈服强度为：21 C为 248 MPa，400℃为171 M Pa。

图3～图 5分别列出了工况 3下 DN100、DN300与 DN600管法兰的最大允许弯矩随法兰等级变化趋势。由图可见 ，较大直径的法兰 的计算结果与 DN100的法兰的趋势基本-致：600 CL以上等级的法兰都是 NC3658.1预测值最大，处于曲线的上方 ；而 NC3658.3和 ASME方法的最大弯矩预测值更为保守，处于三组曲线的底层。

图 6～图 8分别列出了工况 3下 300 CL，600 CI与1 500 CL管法兰的最大允许弯矩随法兰公称直径的变化趋 势。图 中可见 ：对于 300 CL的标准法兰，公称直径在 DN400以上时 NC3658.1的预测值比ASME方法更大；对于等级 600 CL的标准法兰，大部分情况下 AsME方法比 NC3658.1方法更保守，仅有 DN100的法兰例外；法兰等级为1 500 CL时，NC3658.1的预测值总是大于ASME方 法∩ 见 随 着 法 兰 等 级 的 提 高，NC3658.1给出了比ASME方法更大的预测值。

量0 500 l 000 l 500 2000 2 500法兰等级/(3图3 计算工况 3下 DN100法兰在三种校验方法下的最大允许弯矩 N(；3658.I：--o- C3658.3：--lk-，ASME以上对 比可以看出，NC3658.1对 于较低等级或较小直径的法兰是保守的方法 ，而对于大直径或高等级法兰，NC3658.3和 ASME方法相对更加保守。因此对于输运极度危害介质或剧烈循环工况的重要法兰可采用 NC3658.3或 ASME方法进行分析，其中 ASME方法在理论上更加完整 ，可作 为校核方法 的首选 。目前设计 工作中，加氢反应器底部 出 口的四片法 兰均采用ASME 应 力 计 算 法 进 行 设 计。此 外 由于第 33卷第 6期 王斌斌.不同标准下法兰最大许用弯矩的对比研究 · 5 ·NC3658.3的计算方法相对简单，可在进行粗略计算时采用。

l400001200000 500 1 000 l 500 2 000 2 500法兰等级/CL图4 计算工况 3下 DN300法兰在三种校验方法下的最大 允许弯矩 NC3658.1： NC3658.3： ASME0 400 800 1 200 1 60020o 600 l()oo l 400法兰等级/CL图 5 计算工况 3下 DN600法兰在三种校验方法 下的最大允许弯矩-l1.-NC3658.1：-o-NC36583： ASME00 200 300 400 500 600法兰公称直径/mm图 6 计算工况3下300 CL法兰在三种校验方法下的最大允许弯矩 C3658.1： NC3658.3： ASME接下来本文重点讨论 NC3658.1和 ASME方法 。图 9和 图 1O列出了两种方法在三种工况下 DN100法兰的最大允许弯矩随法兰等级的变最大化趋势。如图所示温度、压力和轴向力较低的曲线处于上方，说明温度、压力和轴向力的存在都降低了法兰最大允许弯矩。工况 2的曲线与工况 3的曲线相差很小，甚至基本重合(见图 9)，这说明轴向力对法兰承载能力的影响比较校l00 200 300 400 500 600法兰公称直径/mm图 7 计 算工况 3下 600 CL法兰在 三种校验方法下的最大允许弯矩- -N C3658.1：-.-NC3658.3：-.ASME00 200 300 400 500 600法兰公称直径/mm图8 计算工况3下 1 500 CL法兰在三种校验方法下的最 大允许弯矩 NC3658.1： NC3658.3： ASME0 500 l 000 1 500 2 000 2 500法兰等级/CL图 9 三种工况下 DN100的法兰 NC3658.1的允许最大弯矩 21 ：，0 MPa； 400 c：，1 MPa； 400 ，l MPa，10 kN分析可知，压力对最大允许弯矩的影响机制O 0 0 0 O O O 0 0 O O O O O O O 0 8 6 4 2 墨 静收 蜡∞ ∞ ∞ ∞ ∞ 00 O 0 0 0 ∞ 胁 ∞ ∞O 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 O 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 O 0 5 0 5 0 5 O 5 3 3 2 2 乏 略㈣ 03 3 2 2 1 N/ 士毒 蜡∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ 0O 0 0 0 O O 0 0 ∞ ∞ 加 ∞ 舯 ∞ ∞ 加乏 静 嘣∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ 04 3 3 2 2 乏石 油 化 工 设 备 技 术可以从计算方法的描述中看到。而温度的影响是通过对许用应力和法兰压力 额定值 的影响反 映的。公式(1)和(2)中虽然没有 明确出现温度项 ，但额定压力是从 ASME B16.5中的温压等级表1.1中选取的；温度越高 ，标准法兰的额定压力越低。此外 ASME方法要求法兰的轴向、径向、环向和组合应力以及螺栓的轴向应力均不能超出许用值。其中法兰材质应力许用应力受温度影响较大 ：21。C为 137.9 MPa，400。C为 1O1.3 MPa；螺栓材质许用应力在本文选取 温度范 围内变化较小 ：21 C为 158.6 MPa，400。C为 152.5 MPa。

量乏静法兰等级/CL图 l0 三种工况下 DNIO0的法兰 ASME方法的允许最大弯矩- ..1l--2I ：.0MPa：-0-400 ：.I MPa；- 400 ：.1 MPa.10 kN5 结语综上所述，本文介绍了当前工程中常用的三种法兰承载能力的分析方法及 ASME法兰应力计算法，并通过算例对这四种方法在多种工况的结果进行对比分析，针对算例条件得出以下结论：1)当量压力法的安全性 已被大量工程实践所证 明，因此工程 中采用 当量压力法校验或选用法兰可以满足大部分要求 ；2)从计算可以看到 ，某些情况下的法兰可以满足当量压力法的校核但不能满足 ASME方法。

因此对高温高压或极度危害介质可采用 ASME方法进行法兰设计或选型，该方法具有更高的安全保障(目前反应器底部出口的法兰设计采用该方法)；3)外载中的弯矩是影响法兰连接分析 的主要外部 因素 ，而轴 向力对 NC3658.1和 ASME方法的校核结果影响较小 ；4)NC3658.2方法适用范围较小 ，工程应用意义不大；NC3658.3方法结果偏安全且计算方便，可在粗略计算时使用。

本文对工程设计人员深入理解法兰承载能力的校核方法以及在不同条件下选用恰 当的校核准则有-定作用。对于其它材质法兰连接易采用本文方法进行 对 比分析 。美国 ASME锅炉和压力容器委员会压 力容器研究委 员会 (PVRC，PressVessel Research Council)提出r-个基于泄漏率和连接紧密度的计算法兰的推荐方法。虽然目前尚未成 为 强 制 标 准 ，但 在 - 定 程 度 上 反 映 了ASME标准在法 兰连接 问题上 的发展方 向n阴。

此外 欧盟标准 EN1591中对法 兰连接的密封性能、强度和外载等问题提 出了-个完整 的解决方案 。 ”，在理论上 比 ASME标准更加严 密，将 在后续工作中继续研究 。