ASME PCC-1与Taylor-Waters法螺栓载荷计算分析与对比

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0 引言

由螺栓、垫片连接的法兰接头是压力容器、管道和阀门广泛使用和必不可少的可拆连接形式。作为压力容器中最重要的承压部件之一，法兰接头的合理设计对于整个压力容器的设计有着举足轻重的作用[1-3]。螺栓法兰连接接头的失效模式既有强度不足导致的失效；又有由于密封问题引起的泄漏失效。传统的法兰设计方法(Taylor-Waters法[4])，主要是以强度失效模式为基础的设计方法，而对于泄漏失效的考虑略显不足。为了解决泄漏失效的问题，业内工程师们一直在从设计、安装、材料等多方面进行研究。

美国机械工程师学会发布的ASME PCC-1《压力边界螺栓法兰连接安装指南》[5]就是一个从多方面考虑、以减少法兰接头泄漏的指导标准。该标准已被美国石油协会标准API 660—2015[6]及壳牌、美孚等国际工程公司的工程规范引用，成为诸多项目中必须遵循的标准。目前国内尚未正式发布此类标准。虽然ASME PCC-1是主要针对法兰安装的指导标准，但其附录O给出了安装螺栓载荷及面积的确定方法。安装所需要的螺栓面积作为实际的螺栓参数影响着法兰的设计。对于法兰的设计引入了WRC 538[7]标准。API 660和某些工程规范规定了计算所需的垫片、螺栓参数。这些标准相互关联就形成了一整套对法兰接头的新的设计方法。

无论采用哪种方法进行法兰设计，螺栓载荷及面积的计算都是法兰设计的基础。本文就上述两种方法中螺栓载荷的计算进行分析，并用实例计算来进行对比。

1 Taylor-Waters法螺栓载荷计算方法

Taylor-Waters法是美国Taylor Forge公司与学者Waters 在1938年提出的螺栓和垫片连接的法兰设计方法，至今仍被包括美国ASME B&PV Code Ⅷ-1[8]、欧盟EN 13445.3[9]、我国GB/T 150.3[10]在内的世界各国主流压力容器标准采用，作为非标法兰的设计方法。Taylor-Waters法是以设计压力P、垫片系数m、垫片比压力y、有效密封宽度b等为条件，通过分别计算预紧状态和操作状态下垫片所需的压紧力，从而算出所需的螺栓载荷和面积，进而以螺栓载荷校核法兰本体强度的设计方法。

一方面，垫片系数m和垫片比压力y是按照 Taylor-Waters法进行螺栓载荷计算和保证法兰密封性能的关键。然而，标准中提供的m，y值也都是经验值，并非任何情况下都是可靠的[11]。GB/T 150.3—2011表7-2中就明确说明：“本标准所列各种垫片的m，y值及适用的压紧面形状，均属推荐性资料。采用本表推荐的垫片参数(m，y)并按本章规定设计的法兰，在一般适用条件下，通常能得到比较满意的使用效果。但在使用条件特别苛刻的场合，参数m，y应根据成熟的使用经验谨慎确定”, 而且至今各国标准都未能明确给出聚四氟乙烯垫、齿形复合垫等常用垫片的m值和y值。这对很多法兰的设计造成了较大的困扰。

另一方面，经过多年的实践检验，按照Taylor-Waters法和标准推荐的垫片系数和比压力设计的法兰接头，在通常情况下是满足使用要求的。Taylor-Waters法仍是各国压力容器设计标准所采用的法兰设计方法。

2 ASME PCC-1螺栓安装载荷计算方法

1995年，ASME 的压力技术规范和标准部成立了后建造委员会(Post Construction Committee)[12]，简称PCC。2000年，PCC 首次发布了ASME PCC-1《压力边界螺栓法兰连接安装指南》，2010 年又颁布了修订版。目前最新版本为2013版。ASME PCC-1—2013版指南的内容包括16章正文和16个附录，其中附录O详细给出了确定安装螺栓载荷的方法。简述如下:(1)根据垫片的材料和型式，选定垫片在操作状态下和预紧状态下所需的最小压应力，以及垫片能承受不致压溃的最大压应力;(2)根据螺栓的材料得到螺栓允许的最高和最低应力(根据API 660 通常取螺栓常温屈服值的70% 和40%);(3)根据垫片厂家的推荐值，设定垫片的目标预紧应力;(4)通过具体的垫片尺寸和目标预紧应力，核算出合理的螺栓安装载荷;该载荷应使螺栓应力在允许的最高和最低应力之间，且该安装载荷应满足垫片在操作和预紧状态下的最低应力要求，并低于垫片允许的最高应力值。

从上述过程可以看出，ASME PCC-1螺栓载荷和面积的计算模型与Taylor-Waters法基本相同。都是考虑预紧和操作两种工况下对垫片的压紧力，进而根据螺栓的许用应力推算出所需的螺栓面积。

3 ASME PCC-1与Taylor-Waters法螺栓载荷计算对比

为了更具体地对比两种计算方法，以常见的缠绕垫为例,选取NB/T 47025—2012[13]中的两组参数。第1组为DN1000的垫片在不同压力等级下的参数。第2组为2.5MPa公称压力的垫片在不同的公称直径下的参数。对上述两组垫片，按照两种方法分别计算出所需要的螺栓面积。第1组垫片需要螺栓面积的计算见表1，计算结果拟合曲线见图1。第2组垫片需要螺栓面积的计算方法与表1相同，本文省略计算表格，仅给出计算结果的拟合曲线，见图2。

表1 不同压力等级下需要螺栓面积计算

①根据API 660—2015中7.8.2条，螺栓最大允许应力为常温屈服强度的70%；②根据API 660—2015中7.8.4条Table 3；③根据GB/T 150.3—2011中表7-2；④根据GB/T 150.2—2011中表12，设计温度以200 ℃为例

图1 不同压力下需要的螺栓面积

图2 不同公称直径下需要的螺栓面积

两种计算方法对比结果如下。

(1)按照ASME PCC-1计算所需的螺栓安装截面积远大于按照Taylor-Waters法计算所需的螺栓截面积，前者所需的螺栓面积约为后者所需螺栓面积的2倍。

(2)在相同公称直径的情况下，随着压力的升高，两种方法算得的螺栓面积比值在下降，当设计压力为6.4 MPa时，比值仅为1.16。

(3)在相同设计压力的情况下，随着法兰公称直径的增大，两种方法算得的螺栓面积比值在下降。

形成上述结果的原因主要有以下几个方面。

(1)ASME PCC-1以垫片在预紧和操作工况下需要的最小应力代替了Taylor-Waters法中的垫片系数和垫片比压力；

(2)Taylor-Waters法考虑的垫片压紧面积约为整个垫片面积的一半，而ASME PCC-1考虑的垫片压紧面积为整个垫片的压紧面积；

(3)Taylor-Waters法考虑螺栓在预紧和操作工况下的应力分别为常温和设计温度下的许用应力，其值仅约为常温屈服强度的1/3和1/4，ASME PCC-1考虑的最大螺栓应力约为常温屈服强度的70%。

4 结语

通过对比分析可以看出，ASME PCC-1与GB/T 150.3—2011中(Taylor-Waters法)螺栓载荷计算模型基本一致。但按照ASME PCC-1算得的需要螺栓面积远大于Taylor-Waters法算得的面积。对于法兰的设计而言，螺栓载荷与面积是后续设计的基础，更大的螺栓面积意味着更大的螺栓分布圆直径和法兰外径；更大的螺栓载荷意味着更大的法兰力矩和法兰厚度。法兰厚度等的增加可以提高法兰的刚度、减小变形。较大的螺栓面积能够提供更大的螺栓预紧力。这些对于提高法兰接头的强度和密封性能是有益的，但也将显著增加材料、加工等成本。

从安全性和经济性两方面考虑。在一般的使用条件下，按照Taylor-Waters法进行法兰设计仍是较优的选择；按照ASME PCC-1及API 660等标准给出的垫片参数设计较为保守，经济性较差。在条件特别苛刻的场合或所用垫片系数m和比压力y数据的使用经验不足时，按照ASME PCC-1方法计算需要的螺栓载荷和面积，可以作为Taylor-Waters法的补充和参考。通过适当提高螺栓载荷和面积裕量增强法兰接头的安全性。

综上所述，笔者认为ASME PCC-1是螺栓连接的法兰安装指南，并非先进的法兰设计规范。其中关于螺栓安装载荷和截面积的计算模型较为简单。其实质就是通过提高垫片在操作和预紧工况下的最小应力值，从而加大了需要的螺栓面积，进而对法兰的强度设计提出了更高的要求，这也是按照ASME PCC-1标准能够减少法兰接头泄漏的主要原因之一。