RCC-M與ASME法蘭計算方法應用對比分析

白菲菲

(中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518172)

RCC-M與ASME法蘭計算方法應用對比分析

白菲菲

(中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518172)

法蘭結構是核電廠設備中常用的連接形式之一，法蘭連接的失效會直接影響到安全性、經濟效益、環境及能源消耗等方面。整體法蘭設計RCC-M和ASME的計算基本原理相同，但在計算細節上又存在著差異。螺栓法蘭連接設計需要兼顧墊片、螺栓和法蘭三者的匹配。本文從墊片設計計算、螺栓設計計算和法蘭設計計算3個方面，對RCC-M的法蘭設計計算方法進行分析，同時與ASME法蘭設計計算方法的共同點和差別點進行了對比分析。

RCC-M;ASME;法蘭;墊片;螺栓

RCC-M是在ASME規范第3卷基礎上，吸收了大量在法國核工業發展實踐中積累的經驗和成果而制定出來的，2個規范之間有很多相似和相通之處；但是，經過一些年的發展后，RCC-M與ASME標準產生了一些不同[1]。其中，在整體窄面型法蘭的設計計算方法方面，RCC-M是考慮到內壓力及施加于墊片的緊固力的作用情況下來確定法蘭及螺栓緊固件尺寸，而ASME的計算均采用Waters法進行設計。RCC-M的法蘭設計計算方法相對于ASME在計算細節上也存在著差異。本文將從墊片設計、螺栓設計和法蘭應力計算3個方面，對RCC-M的法蘭設計計算方法進行分析，同時與ASME的法蘭設計方法進行對比分析。

1 墊片設計計算

墊片設計是整個法蘭連接設計的基礎，根據給定的使用工況(流體介質、溫度和壓力)及要求的密封級別等對墊片進行選定。墊片主要受2個力，即壓緊密封墊所需最小壓緊力Fj和在工作條件下保證在流體介質壓力作用下的墊片密封所需緊固力FM。

1.1 壓緊密封墊座所需最小壓緊力

設備在承受壓力前，需要給墊片施加最小壓緊力。在RCC-M的法蘭設計中，最小壓緊力由供應商提供，并沒有給出具體的計算方法。在ASME的法蘭設計中，給出了最小壓緊力的具體計算公式：

Fj=3.14Djby

(1)

式中，Dj是墊片壓緊力作用中心圓直徑；b是墊片有效密封寬度；y是墊片比壓力。

在采用RCC-M計算墊片的最小壓緊力時，如果已知墊片的比壓力y，可采用式1進行計算。

1.2 保證流體介質壓力作用下的墊片密封所需緊固力

FM是為保持密封墊片在設計、運行及試驗條件下密封所需要的最小壓緊力。在RCC-M的法蘭設計中，FM由墊片供應商提供，并沒有給出具體的計算方法；而在ASME的法蘭設計中給出了FM的具體計算公式：

FM=2πDjbmp

(2)

式中，p是相應工況下的壓力；m是墊片系數。

在采用RCC-M計算墊片在操作工況下的最小壓緊力時，如果已知墊片系數m，可采用式2進行計算。

1.3 螺栓預緊力

要確定在設備有內壓的條件下保證密封的螺栓緊固力需要確定2個力，即FM和FF。在設備有內壓的情況下，FF為法蘭在內壓作用下使法蘭趨于分開的力，在該力的計算方法上，RCC-M和ASME的基本思想一致，而在內壓的處理方面，RCC-M將法蘭所受的外載荷(彎矩和軸向力)的等效壓力Peq作為內壓的一部分，RCC-M中該力的計算公式為：

(3)

ASME中的計算公式僅有內壓力P。

設備在有內壓力的條件下法蘭所需要的最小螺栓載荷為：

FS=FM+FF

(4)

其中，設備有內壓的條件包括設計工況、運行工況和試驗工況。

在RCC-M的法蘭設計中，螺栓的預緊力FSi在最小壓緊力Fj以及設計工況、運行工況和試驗工況下保證密封所需力FS取大值，同時要求預緊力提供足夠的摩擦力來抵消在橫向力和扭矩作用下法蘭產生的相對位移，以及溫差和密封墊片松弛引起的預緊力變化。在ASME中，螺栓的預緊力由最小壓緊力Fj和設計工況下的螺栓載荷FS值來確定。

2 螺栓最小截面積

在RCC-M的法蘭設計中，沒有給出如何確定螺栓所需的最小截面積，而給出了螺栓在設計、運行和試驗工況下至少應該滿足的最小截面積校核評定準則。在ASME的法蘭設計中，螺栓所需的最小截面積是由螺栓預緊力及相應溫度下螺栓的許用應力比值來確定。在RCC-M的法蘭設計中沒有給出類似ASME中螺栓最小截面積的計算公式，實際上，ASME中的螺栓最小截面積的計算公式為螺栓面積確定的最基本公式，即RCC-M的螺栓最小截面積計算方法可以采用ASME中的方法，但同時需要滿足螺栓的最小截面積在設計、運行和試驗工況下的校核準則。

3 法蘭應力計算

法蘭應力的是在法蘭承受內壓和為保證其密封而施加在密封墊圈上的緊固力的合成載荷。計算中，應分別考慮設備沒有承受內壓時的法蘭預緊狀態和在設備承受內壓的法蘭狀態，來確定法蘭所受力矩，取其大值進行應力計算。

3.1 法蘭預緊狀態

法蘭預緊狀態所考慮的螺栓載荷應有一定裕量，以防過分擰緊螺栓而損傷法蘭，在這一點上，RCC-M和ASME的考慮是相同的；但是具體處理方法卻有差別。在RCC-M中，法蘭應力計算中的螺栓載荷為：

(5)

式中，SA是螺栓所需最小截面積；SB是螺栓實際截面積。

在ASME中：

(6)

式中，S是螺栓常溫下的許用應力。MA是法蘭預緊狀態下的力矩。

3.2 設備承受內壓的法蘭狀態

RCC-M相對于ASME,還應考慮外部載荷引起的等效壓力Peq，可求出相應的HD′和HT′。在法蘭密封墊片上的壓縮力HG的處理上，RCC-M中為：

(7)

在ASME中，HG由設計工況下的螺栓載荷FSi與HT和HD的差值來確定。

法蘭3部分載荷所產生的力矩分別為MD、MT和MG，總力矩MO為3部分力矩之和。

3.3 法蘭應力的確定和校核

法蘭應力計算所用的力矩M′取MA和MO的大值，但在RCC-M中，M′還需要乘以一個最小值為1的螺栓間距影響修正系數。

法蘭所受應力主要有3個關鍵應力：法蘭盤與法蘭頸部接頭處的徑向應力SR、法蘭盤內部的切向應力ST和法蘭頸外表面的縱向應力SH。在3個值的確定方面，RCC-M與ASME的計算方法基本相同，而在RCC-M中，計算法蘭頸外表面的縱向應力SH值時，增加了法蘭內部靜壓力所產生的薄膜應力。

在法蘭應力評定方面，RCC-M中的法蘭應力需要在設計、運行及試驗工況下分別進行校核評定，而ASME沒有分工況討論，其校核條件與RCC-M的設計工況校核條件相同。

4 結語

RCC-M規范與ASME規范在整體窄面型法蘭設計計算的思路基本一致， 但是在具體細節上存在著差異。從本文的分析可以看出，RCC-M的法蘭計算相對于ASME有以下特點：1)部分計算未給出具體的計算方法，僅提出要求，需要使用者補充相關內容；2)考慮的更加全面，如增加了外部載荷的考慮、法蘭工作狀態下由橫向力和扭矩作用下產生位移的摩擦力影響以及溫差和密封墊片松弛的影響等；3)除了考慮預緊工況和設計工況，還有運行工況和試驗工況。

[1] 孫曉芳.設備制造中ASME與RCC-M規范的區別[J].一重技術，2010(4):70-72.

責任編輯李思文

ComparativeAnalysisofFlangeDesignMethodintheRCC-MCodeandASMECode

BAI Feifei

(China Nuclear Power Engineering Co., Ltd., Shenzhen 518172, China)

Flange structure is the most common connecting way, fail of flange connection can affect security, economic value, environment, and energy consumption. RCC—M code and Annex of ASME code have the same basic calculation principle in nuclear equipment integral flange, but there are some differences in details. Connection design needs involve gasket, bolt and flange. The paper analyzes design method in the RCC—M Annex ZV code and compares the differences with the design method in ASME.

RCC—M, ASME, flange, gasket, bolt

TE 969

：A

白菲菲(1982-)，女，工程師，主要從事核電站輔助設備設計等方面的研究。

2014-10-23