内压及外载荷作用下的法兰计算方法介绍

陆征 崔秀君(青岛兰石重型机械设备有限公司，山东 青岛 266000)

1 绪论

完整的设备设计条件通常会包含管道载荷，该值一般由管道专业提供。在进行设计工作时，通常会用该载荷校核接管与壳体间的局部应力，以此防止接管与壳体连接部位的失效。然而，是否应该将该载荷同样应用于法兰计算，可能是存在疑问的：

(1)法兰规格(标准法兰)通常由管道给出，可能已经过了配管设计可以满足管道连接。

(2)管道选用的标准法兰本身具备一定的承受外载荷的能力。

(3)所提供的管道载荷可能是个前期预估的保守值，若以此条件设计法兰，需要的法兰会远大于配对法兰。

与此同时，考虑到法兰的失效形式，通常是泄露失效。要保证法兰不会泄露，必须要保证垫片上存在一定的压紧力(强制密封法兰)，因此，螺栓及法兰的设计时就必须要考虑到会导致垫片压紧力减小的各种情况，其中最主要的就是内压力(抵消部分螺栓上紧力)和外载荷(抵消部分螺栓上紧力，并且使得各螺栓力不再均衡)的影响。

因此，内压及外载荷作用下的法兰计算方法同样是需要讨论的课题。

2 现行计算方法

2.1 现行计算方法介绍

目前，我国对法兰承受外载荷的情况主要由以下几处要求：

(1)HG/T 20582—2011 中指出，法兰除承受内压外，还承受较大的轴向力和外力矩(如立式设备的质量、风载荷、地震载荷或管道引起的力和力矩等)，这时仅按内压来设计或选用法兰是不安全的，应按如下公式计算当量设计压力

(2)NB/T 47041—2014 中规定：塔壳各段采用法兰连接时，法兰应同时考虑内压，轴向力和外力矩的作用，其当量设计压力按下式计算

以上两处内容的表述大致相同，其对外载荷均是引入了“当量设计压力”的概念，且其计算方法相同。目前压力容器设计中广泛使用的计算软件SW6 中对法兰外载荷的处理也是采用了上述处理方法。

2.2 当量压力计算的适用范围

HG 20582—2011《编制说明》中明确指出：

(1)该方法主要推荐用于标准法兰的选用；

(2)此方法明确仅限于平垫密封的法兰，不用于其他形式密封的法兰。

故，该当量压力计算方法并非适用于所有密封面形式，且该方法用于法兰设计计算可能是不完全合适的。NB/T 47040-2014 中公式则不区分法兰密封面形式，但大部分设备法兰都是以平垫密封为主。

2.3 当量设计压力公式的推导

法兰的当量设计压力计算公式中由3 部分组成即：

(1)设计内压P。

(2)轴向力F 产生的当量应力PF。

将轴向力F 等效为DG范围内的内压，即：

(3)外力矩M 产生的当量应力PM。

其中，b 为垫片宽度。

将作用于垫片区域的应力引起的轴向力等效为内压引起的轴向力，即：

综合以上三项，得当量计算压力的计算公式为：

3 ASME中对于标准法兰选配的规定介绍

新版ASME Ⅷ-DIV2 2019 中4.16.12 条规定，对于承受外力和外力矩的标准法兰选配应符合下式要求：

其中PR 为标准法兰对应材料类别、温度、等级下的最高许用工作压力，FM 为力矩系数，按照table 4.16.12 查取，对与符合ASME B16.5 的管法兰，一般取0.3-1.2。

将上式变形后可得：

该不等式左侧与上节中当量设计压力的计算公式一致，右侧相当于对标准法兰的最高允许工作压力放大了0.3-1.2 倍。

由此可见，该要求无疑放大了标准法兰可承受的外载荷的能力，相比于上节中的计算方法更为经济。

4 法兰计算方法的比较

设备设计中，往往可以选择标准法兰而不必进行法兰计算。而实际设计中也会遇到标准法兰不适用，需要通过计算确定法兰尺寸的情况，而此时需要按标准进行法兰校核计算。

GB150 中的法兰计算方法并不包法兰承受外力和外力矩的情况，对于该情况的法兰，只能先计算法兰当量设计压力，而后进行法兰强度计算。

ASME 标准中法兰计算方法同GB150 类似，同时是采用经典的Waters 法兰计算方法。不同的是，ASME Ⅷ-2 2019 中给出的计算公式中，包含了有外力和外力矩的情况下，法兰螺栓及法兰力矩的计算方法。

所需要的最小螺栓面积如下：

考虑外力和外力矩后，法兰力矩按下式计算

经实际计算发现，从法兰计算到法兰选用，到法兰强度计算，ASME Ⅷ-2 2019 都显得更为经济，适用范围更广。

5 结语

经过上述对比分析，我们发现ASME Ⅷ-2 2019 对标准法兰选配到非标法兰计算，均显得更为经济，对以后的法兰设计，有以下借鉴意义：

(1)对于平垫密封法兰，需要按照HG/T20582 的要求计算法兰当量计算压力，然后选择合适的法兰；对于非平垫密封法兰，按ASME Ⅷ-2 2019 中4.16.12 确定有外载荷时法兰的最高允许工作压力(相当于把最高允许工作压力提高FM倍)。

(2)非平垫密封的非标法兰设计，可以按ASME Ⅷ-2 2019中4.16 的方式处理外载荷对螺栓和法兰力矩的影响。以此来计算合适的螺栓面积，活的合理的法兰尺寸。