一种试压工况下法兰应力的校核方法

刘 宇

(南通赛孚机械设备有限公司，江苏南通，226500)

压力容器产品的试验压力高于设计压力，一般约为1.25倍设计压力[1]，如试验压力需要高于标准中的规定值时，在耐压试验前应校核各受压元件在试验条件下的应力水平。但标准中并未明确试压工况下受压元件应力的具体校核方法。

提高耐压试验压力的情况一般包括：

(1)立式容器采用卧置进行液压试验时，试验压力应计入立置试验时的液柱静压力。应注意到：当容器很长时有可能导致容器顶部壳体厚度不足，需要校核。

(2)工作条件下内装介质的液柱静压力大于液压试验的液柱静压力时，应考虑相应增加试验压力。

(3)带有安全阀、爆破片等超压泄放装置的压力容器，如果设计时提出气密性泄漏试验要求，则设计者应当给出该压力容器的最高允许工作压力。这时应以最高允许工作压力代替设计压力计算确定试验压力。

(4)对于两腔压力容器，如“某一腔”是正压，隔壁“另一腔”是真空，则“某一腔”的试验压力至少应该是1.25倍容器两腔叠加危险工况时“公用元件”的计算压力(如必要还应计入液柱静压力)。

(5)在换热器设计中，当管程设计压力高于壳程设计压力时，在结构允许条件下，可以适当提高壳程试验压力，或者直接提高壳程设计压力，甚至使得壳程试验压力直至等于管程试验压力，以便更方便、直观检查管板和换热管之间焊接接头的质量，同时应校核壳程其他元件在此试验压力下的强度及密封性能。

(6)对于设计压力较低的容器，由于最小厚度的要求、负偏差、腐蚀裕量、计算圆整量的存在，往往使得壳体的名义厚度远远大于计算厚度；或者是对于不计覆层材料或堆焊材料强度的复合板容器，由于复合板总厚度大于仅考虑基层材料的计算厚度，从而导致按标准计算的试验压力下壳体应力水平远低于压力试验所预期的应力水平，难以达到通过“超压”检验整体质量的目的。

法兰是压力容器产品中普遍使用的一种承压元件。法兰的设计和选用不仅要满足设计压力、设计温度等设计条件(参数)的要求，还需要考虑压力试验工况下的应力校核问题。由于产品的水压试验压力高于设计压力，不经压力试验工况应力校核过的法兰，在容器打压时容易出现变形、泄露等问题，从而导致法兰的报废和压力试验的失败。本文根据法兰的设计原理，结合工程实例，阐述了一种在试压工况下对法兰应力的校核方法。

1 法兰的计算原理

法兰在法兰力矩作用下，由组成法兰的法兰环、锥颈和圆筒三部分共同承载。为此在它们的连接边界上分别作用有横剪力Q1、Q2及弯矩M、M(以法兰内径上单位圆周长度计)，其正向如图1所示。

图1 带颈整体法兰力学模型图

上述边界力分别对法兰各部分引起应力，其三个方向的计算应力σH、σR、σT的位置及分布如图2所示。法兰设计中对此三个应力进行强度校核。

图2 σH、σR、σT的位置及分布

法兰环或锥颈任一部分出现微量的屈服时，其载荷就要转移到另一部分来承担。从保证法兰密封可靠性来看，保证法兰环有足够的强度比保证锥颈的强度要更优先考虑。因此取锥颈轴向应力的许用值比法兰环的要大，标准将其控制在1.5倍许用应力，而其余两个径向和环向应力则控制在1倍许用应力。为了使法兰环在锥颈轻微屈服时能有足够的强度来承受转移过来的载荷，就要求法兰环有一定的能力储备，所以标准将轴向应力加径向应力的平均值和轴向应力加环向应力的平均值也控制在1倍许用应力。

2 试压温度下法兰的许用应力和安全系数

由GB/T 150.1-2011《压力容器》中第4.4可知，试压温度下法兰的许用应力[σ]f= min(Rm/2.7,ReL/1.5)，即安全系数分别为2.7和1.5。

式中：Rm——材料标准抗拉强度下限值，MPa；

ReL——材料标准室温屈服强度，MPa。

3 法兰的分类

法兰分为标准法兰和非标法兰。

3.1 标准法兰

设计人员只需根据设计工况从法兰标准进行选用而不必进行法兰强度计算。但如何根据试压工况进行法兰选用，各标准中只有HG/T 20592～20635-2009《钢制管法兰、垫片和紧固件》提到了此问题；在NB/T 47020～47027-2012 《压力容器法兰》、GB/T 29465-2012 《浮头式热交换器用外头盖侧法兰》却未曾提及。

3.2 非标法兰

不能按以上法兰标准直接选用，需要设计人员根据设计条件按相应的压力容器设计、计算标准(如GB/T150-2011)中法兰的计算方法一章进行设计计算来确定法兰的结构尺寸；但容器的设计、计算标准(如GB/T150-2011)中又未提及试压工况下法兰应力如何进行校核计算。

本文分标准法兰和非标法兰两种情况，根据法兰的设计、计算原理和实际工程设计经验，对压力容器法兰的压力试验工况应力校核方法进行探析，并提供了实际工程中运用过的具体算例供大家参考。

4 标准法兰的压力试验工况下的应力校核方法

目前压力容器行业现行的法兰标准有：HG/T 20592～20635-2009 《钢制管法兰、垫片和紧固件》、NB/T 47020～47027-2012 《压力容器法兰》、GB/T 29465-2012 《浮头式热交换器用外头盖侧法兰》，下面分别阐述各标准中的法兰如何考虑压力试验工况下的应力校核问题。

4.1 标准管法兰

对于标准管法兰能够承受的水压试验压力，在现行的压力容器管法兰标准HG/T 20592～20635-2009 《钢制管法兰、垫片和紧固件》中有明确规定；在HG/T 20592和HG/T 20635两标准的第11章有相关规定：11.0.1法兰原则上不进行单个法兰的压力试验；11.0.2当法兰安装到管道或设备上以后，其水压试验压力应不大于本标准第7章规定的常温时最高允许工作压力的1.5倍。由此可见，对于管法兰的选用只要按此规定执行，即可以承受对应的水压试验压力。

4.2 标准设备法兰

对于标准设备法兰能够承受的水压试验压力，在现行的压力容器设备法兰标准NB/T 47020～47027-2012 《压力容器法兰》和GB/T 29465-2012 《浮头式热交换器用外头盖侧法兰》中并未说明，这就需要设计者在选用标准法兰时进行充分的考虑，有的设计单位规定：设备法兰在选用时按设计压力提升一个等级选用，例如设计压力是0.8MPa,而设备法兰选1.6 MPa等级的；还有的单位对设备法兰按水压试验压力和温度进行计算；这样虽然规避了压力试验时应力超限的风险，但同时也造成了材料的浪费。因此笔者认为，只有对法兰进行水压试验压力下的应力校核，才是最合理、最经济的做法。

标准设备法兰的压力试验工况应力校核方法具体步骤为：

液压试验时：1.3倍试验温度下法兰材料的许用应力；气压试验时：1.15倍试验温度下法兰材料的许用应力。

(2)对于螺栓、螺柱紧固件，应校核其最大轴向拉伸应力σt应满足下列条件：

液压试验时：σt≤0.9 ReL(RP0.2)；气压试验时：σt≤0.8 ReL(RP0.2)。

上式中：σt ——试验压力下法兰的应力，MPa；ReL(RP0.2)——圆筒材料在试验温度下的屈服强度(或0.2%规定塑性延伸强度)，MPa。

5 非标法兰的压力试验工况下的应力校核方法

当法兰的结构尺寸或应用条件超出标准规定的使用范围时，就必须进行非标法兰的设计。在进行非标法兰设计时，可以参考相近的标准法兰初定各结构尺寸，经各应力计算、校核合格后使用，具体设计步骤为：

(1)确定垫片材料、形式及尺寸。

(2)确定螺栓材料、规格及数量。

(3)确定法兰材料、密封面型式及结构尺寸。

(4)进行应力校核。

(5)进行刚度校核。

(6)试验压力下的法兰的应力校核。

(7)试验压力下法兰螺栓的应力校核。

具体设计方法详见GB/T150.3的“法兰”一章，在此不做赘述，法兰和螺栓的试验压力下的应力校核同1.2中内容。

6 算例

以长颈对焊法兰为例，设计压力p=5MPa，设计温度t=150℃，法兰材料为16MnⅢ，圆筒直径为DN=1500mm，圆筒材料为Q345R，圆筒厚度δn=28mm，腐蚀裕量C2=3mm,垫片采用不锈钢缠绕垫。法兰尺寸如图3所示。

图3 法兰尺寸图

运用SW6计算软件对法兰进行校核计算，得出法兰厚度为115mm(如表1所示)。

表1 法兰计算结果

再对该法兰进行压力试验工况应力校核，具体方法步骤为：

(2)1.3倍试验温度下法兰材料的许用应力为:1.3[σ]f=1.3×174=226MPa。

(3)在SW6计算软件材料库里面新建材料“16Mn试压”，将其许用应力设置为226 MPa。

(4)运用SW6计算软件对法兰进行压力试验工况应力校核(如表2所示)，发现法兰厚度115mm不能满足要求。

表2 法兰液压试验应力校核结果

(5)将法兰厚度调为130mm，运用SW6计算软件对法兰进行压力试验工况应力校核(如表3所示)，计算通过。

表3 法兰液压试验应力校核结果

再对法兰螺栓进行应力校核，其最大轴向拉伸应力σt应满足下列条件：液压试验时σt≤0.9 ReL。

从SW6法兰水压试验应力校核计算书中得到螺栓载荷Wp=9015771N，又知螺栓数量为64，螺栓根径d1=31.7mm，则单个螺栓截面积为789.2mm2,则:

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,螺栓校核通过。

7 结语

通过算例可以看出，倘若不进行试验压力下的法兰的应力校核，则法兰厚度115mm满足设计条件的要求，会被设计者所采用，但不满足液压试验对法兰强度的要求，从而会导致产生液压试验时法兰变形与泄露的问题。另外，如果不对螺栓进行液压试验下的应力校核，就有可能出现螺栓强度不足而屈服甚至断裂，造成泄露和安全隐患。由此可见，对法兰和螺栓进行试验压力下的应力校核是十分必要的。