带颈对焊法兰对焊端厚度最小值的研究

庞 冠

中国成达工程有限公司 四川成都 610041

工程设计中，带颈对焊法兰对焊端（或锥颈小端）厚度取决于管道壁厚，两者相等。在带颈对焊法兰螺栓安装载荷的计算过程中，往往会出现这样一种情况：为了确保法兰锥颈小端应力不超过许用值，需要减小螺栓安装应力或增大管道壁厚。但螺栓安装应力不能无限制地减小，因而通过增加管道壁厚以增加对焊端（或锥颈小端）厚度就成了最后的选择。但在目前的管道壁厚设计中，并未考虑螺栓安装工况，于是便产生了如下问题：带颈对焊法兰对管道壁厚是否有一定要求，也即是否存在某一个确定的值或者范围是法兰对焊端厚度不可逾越的？在满足设计工况及规范要求（如GB50316[1]附录D 对A1 类流体的管道壁厚有特殊要求）的前提下，管道壁厚是否可以尽可能的小而无其他限制？管道壁厚设计中，是否应该考虑螺栓安装工况？这些是工程设计领域需要回答却被长期忽视的问题。

1 壁厚陷阱

对于某一确定规格和压力等级的带颈对焊法兰，随着管道壁厚的改变，法兰锥颈大端和小端厚度（图1）发生变化。在螺栓安装载荷作用下，法兰锥颈中的应力随壁厚改变不断地进行重新分配。随着壁厚的变小，锥颈小端应力逐渐增大，且应力值的变化对壁厚减小的幅度会越来越敏感。但应力并不总是随着壁厚的减小而增大，这与端部尺寸变化导致的应力重新分配有关。

图1 带颈对焊法兰与管道焊接示意图

桑如苞等[2]对压力容器用长颈法兰在边界条件下的应力进行深入分析，并给出了锥颈小端和对接筒体沿轴向的应力分布情况，如图2 左侧阴影部分所示。同时提出了法兰直边段削薄理论：在筒体边界上作用均布弯矩和横向剪切力时，应力沿筒体轴向具有急剧衰减的特性。若圆柱壳厚度沿轴向发生递减，则应力的衰减状态将趋缓，甚至应力会发生增大现象。应力沿变厚圆柱壳长度方向上的应力分布与厚度相关，将法兰直边进行一定程度的削薄，可以将应力控制在一定的水平内而不发生超应力问题。

图2 管道轴向与法兰锥颈小端应力的变化

对于管道常用的带颈对焊法兰，其力学模型与文献[2]所述削薄直边处理的长颈法兰相同。对于某一确定规格的管道，当管道壁厚减薄时，法兰的锥颈小端和大端厚度均随之减小，锥颈小端相当于发生了图2 中右侧相对于左侧的下移，原锥颈小端的应力位置也向下移动，应力重新分配。“削薄的直边段”也发生了下移，相当于造成锥颈高度变小。锥颈厚度和高度的减小必然导致锥颈小端应力发生改变。随着管道壁厚的继续减小，管道轴向上的应力曲线继续下移，很可能会出现锥颈小端应力方向的改变，由正转负，如图2 右侧所示。

基于带颈对焊法兰的锥颈小端厚度等于管道壁厚，大量计算表明，任一标准带颈对焊法兰（CLASS 系列或PN 系列）锥颈小端的应力（切向应力和轴向应力）随管道壁厚的变化情况均存在类似于图3 所示的曲线。曲线中存在一个“应力转变关键点”，该点在1/ 1000 甚至1/ 10000 的壁厚变化区间内。在这一极其微小的壁厚变化区间内，应力值由负转正，甚至可能从一个负的极大值变为正的极大值，应力出现剧烈变化。这里所指的极大值（正的或者负的）并非最大值（最大值一般很难求得，需要不断地试算逼近最大值）。极大值是相对于法兰材料的屈服强度而言的，是一个远高于屈服强度的数值，可能是成千上万倍于屈服强度。以法兰材料ASTMA182- F304L为例,其屈服强度170MPa。文献[3]详细列出了法兰各项应力计算公式及相应判据，这些公式均源自WRC Bulletin 538[4]。

图3 带颈对焊法兰锥颈小端应力与管道壁厚的相互关系

应力转变关键点附近存在一个应力值不稳定的较小区域，对于绝大多数带颈对焊法兰，该区域宽度仅为0.01～0.5mm。由于此区域范围非常小，不容易被发现，但壁厚进入该区域将可能出现意想不到的破坏（因应力值远高于屈服强度），故称之为“壁厚陷阱区”,如图3 所示。

壁厚陷阱区与法兰厚度、法兰高度、锥颈厚度比率（图1 中g1/ g0）、直边长度（图1 中L1或L0）、螺栓的配置情况等因素有关。壁厚陷阱区并不是出现在壁厚逐渐接近0 的过程中。在壁厚陷阱的左侧，也并非就是随着壁厚的减小而应力值减小，也可能会出现超过屈服强度的高点，甚至出现多个。因此，工程上最好的办法就是让管道壁厚位于壁厚陷阱区的右侧。

2 设计中需避免的壁厚陷阱

不太可能进入该区域，因此不在此列出。从表1 可以看出，左侧的壁厚与右侧的壁厚相差1/ 1000mm，且表中左侧的应力值为负，右侧的应力值为正。

表1 影响壁厚设计的应力转变关键点所在壁厚区间

工程设计中，压力等级为CL150 至CL300 的不锈钢管线，DN50—DN600 的管道壁厚取值通常为SCH10S（ASME B36.19/ 36.19M）[6]。压力等级为CL150 的应力转变关键点较小（见表2），SCH10S 对应的壁厚跨过了壁厚陷阱区，已进入图3 中的安全区。而对于CL300 等级的管线，DN350—DN600 的管道壁厚取值与位于壁厚陷阱区中的应力转变关键点非常接近，若考虑实际供货偏差，则很容易落入壁厚陷阱区。压力等级为CL600、CL900 的不锈钢对焊法兰对焊端厚度取值也可能存在SCH10S 的情况，比如高低压变等级的地方，此时部分规格壁厚取值与壁厚陷阱区域非常接近或者没有跨过壁厚陷阱区域，这是危险的，需要极力避免。

表2 应力转变关键点所在壁厚区间 mm

3 直边长度对壁厚陷阱区的影响及对策

3.1 标准对焊法兰直边长度现状及影响

对于标准带颈对焊法兰，PN 系列已规定好了含坡口在内的对焊端直边长度，锥颈厚度比率是唯一影响壁厚陷阱区的可变因素。而对于CLASS 系列对焊端直边长度是不固定的。

ASME B16.5 在2017 年及其以前的版本中，对于带直边的对焊法兰均只规定了法兰对焊端直边长度(不含坡口在内)不低于6.4mm，但却没有规定直边段的最大值，仅仅以锥颈与直边夹角不超过45°来限制直边长度。这留下了一个漏洞，使制造商有较大的操作空间，这意味着买到的同一个压力等级和规格的带颈对焊法兰，其直边长度或是锥颈特性可能显著不同。所幸ASME B16.5- 2020[7]已将这一漏洞补上，限制了直边长度（不含坡口）的最大值为12.7mm。

不同的直边长度会形成不同的法兰锥颈特性，进而会影响壁厚陷阱区的位置和大小。如图1 中的虚线所示，相比于有直边的对焊法兰，不带直边(实质上是将法兰的锥部延伸到了对焊端，或是看作将一个较厚的直边作了削薄处理)会使得法兰的锥颈角度更为平缓，锥颈大端和小端之间的锥部区域厚度更厚，法兰在螺栓载荷作用下的受力情况更好。对于表1、表2 中CLASS 系列法兰，应力转变关键点所在壁厚区间的得出是基于法兰不含坡口在内的直边长度（图1 中L0）不超过10mm，且含坡口在内的直边长度（图1 中L1）不超过20mm。

3.2 工程设计中的对策

HG/ T20615- 2009[8]钢制管法兰（CLASS 系列）尚未升版，其对直边段的规定与ASME B16.5- 2017 及以前的版本相同。因此设计人员在采用HG/ T20615 标准时，需要在设计文件中至少按照ASME B16.5- 2020 的要求增加相应的限制条件，严于ASME B16.5- 2020 是更为科学的，直边长度越短越好，前提是不改变法兰高度。

值得一提的是，有少部分规格的壁厚陷阱区比较大，区域宽度可能超过10mm，如CL300—CL600 等级的DN400—DN600 带颈对焊法兰。这部分带颈对焊法兰需要根据工况仔细核算螺栓载荷，可能需要较大的管道壁厚。对于不锈钢等一些比较贵重的材料来说，为了满足螺栓载荷（以便实现法兰接头可靠密封）而增大壁厚显然是不划算的。比较合适的做法是，对这部分带颈对焊法兰宜取消直边段（不能因取消直边段而减小法兰高度），即法兰锥部宜按图1 中虚线设计。如图1 所示，取消直边段后法兰的锥颈特性有所改变，改善了法兰的受力情况，因此可以极大地降低壁厚。以材质为A182- F304L、公称直径为DN400 的CL300 (ASME B16.5)带颈对焊法兰为例，在最大280MPa 螺栓载荷作用下 (垫片密封参数m 按GB/ T38343 取值为7), 当法兰对焊端直边段长度为12mm 时，满足法兰应力校核的管道壁厚为12.7mm；而当直边段长度为0 时，壁厚为8.2mm 即可满足要求。

留出直边段除了方便现场与管道进行组对外，直边段的存在也利于射线拍片时在射线底片上能够清晰分辨出管道与法兰对焊端的界限，便于评片。除此之外，直边段实际上并无太大存在的必要, 比如ASME B16.47[9]大尺寸钢制管法兰并无直边。相较于少去直边段却能极大地节约材料来说，前述两个便利显得微不足道。

对于某些无毒无害的介质（如脱盐水），可以牺牲一些密封性能而进一步降低管道壁厚。垫片密封参数m=7视工况降低为m=3～6，也可以进一步降低壁厚。在不考虑设计温压对壁厚影响的情况下，仍以材质为A182- F304L 的法兰为例，公称直径为DN600 的CL300带颈对焊法兰的管道壁厚可由m=7 时的17mm 降低为m=3 时的SCH- STD(9.53mm)，对应最大螺栓安装应力为165MPa(最小螺栓安装应力为132.7MPa)；公称直径为DN500 的CL600 带颈对焊法兰的管道壁厚可由m=7时的20.7mm 降低为m=3 时的SCH- XS (12.7mm)，对应最大螺栓安装应力为230MPa (最小螺栓安装应力为170MPa)；公称直径为DN600 的CL600 带颈对焊法兰的管道壁厚可由m=7 时的24.3mm 降低为m=3 时的SCH- XS (12.7mm)，对应的最大螺栓安装应力为185MPa(最小螺栓安装应力为170MPa)。这是这几个规格带颈对焊法兰锥颈小端（或对焊端）厚度的最小取值。

4 结论

（1）管道壁厚设计中，除了满足设计工况和规范要求外，还应考虑螺栓安装载荷的影响，壁厚不满足要求时应视工况降低螺栓安装载荷或增大管道壁厚。管道壁厚设计（或对焊端厚度）取值时应至少在表2 中管壁厚给定值的基础上增加0.5mm，以便跨过带颈对焊法兰的壁厚陷阱区。

（2）CLASS 系列带颈对焊法兰，不含坡口在内的直边长度不宜超过10mm，且含坡口在内的直边长度不宜超过20mm。直边长度越短越好，因为减小直边长度（不能因直边长度减小而减小法兰高度）可以在实现相同的密封性能前提下降低管道壁厚，从而节省材料。

（3）CL300—CL600 等级的DN400—DN600 带颈对焊法兰不宜有直边段（不能因取消直边段而减小法兰高度），管道壁厚取值应大于SCH10S(ASME B36.19M)。对于法兰对焊端厚度（或管道壁厚），公称直径为DN600 的CL300 法兰最低为SCH- STD (9.53mm)；公称直径为DN500—DN600 的 CL600 法 兰 最 低 为 SCH- XS(12.7mm)。