內壓及外載荷作用下的法蘭計算方法介紹

陸征 崔秀君(青島蘭石重型機械設備有限公司，山東 青島 266000)

1 緒論

完整的設備設計條件通常會包含管道載荷，該值一般由管道專業提供。在進行設計工作時，通常會用該載荷校核接管與殼體間的局部應力，以此防止接管與殼體連接部位的失效。然而，是否應該將該載荷同樣應用于法蘭計算，可能是存在疑問的：

(1)法蘭規格(標準法蘭)通常由管道給出，可能已經過了配管設計可以滿足管道連接。

(2)管道選用的標準法蘭本身具備一定的承受外載荷的能力。

(3)所提供的管道載荷可能是個前期預估的保守值，若以此條件設計法蘭，需要的法蘭會遠大于配對法蘭。

與此同時，考慮到法蘭的失效形式，通常是泄露失效。要保證法蘭不會泄露，必須要保證墊片上存在一定的壓緊力(強制密封法蘭)，因此，螺栓及法蘭的設計時就必須要考慮到會導致墊片壓緊力減小的各種情況，其中最主要的就是內壓力(抵消部分螺栓上緊力)和外載荷(抵消部分螺栓上緊力，并且使得各螺栓力不再均衡)的影響。

因此，內壓及外載荷作用下的法蘭計算方法同樣是需要討論的課題。

2 現行計算方法

2.1 現行計算方法介紹

目前，我國對法蘭承受外載荷的情況主要由以下幾處要求：

(1)HG/T 20582—2011 中指出，法蘭除承受內壓外，還承受較大的軸向力和外力矩(如立式設備的質量、風載荷、地震載荷或管道引起的力和力矩等)，這時僅按內壓來設計或選用法蘭是不安全的，應按如下公式計算當量設計壓力

(2)NB/T 47041—2014 中規定：塔殼各段采用法蘭連接時，法蘭應同時考慮內壓，軸向力和外力矩的作用，其當量設計壓力按下式計算

以上兩處內容的表述大致相同，其對外載荷均是引入了“當量設計壓力”的概念，且其計算方法相同。目前壓力容器設計中廣泛使用的計算軟件SW6 中對法蘭外載荷的處理也是采用了上述處理方法。

2.2 當量壓力計算的適用范圍

HG 20582—2011《編制說明》中明確指出：

(1)該方法主要推薦用于標準法蘭的選用；

(2)此方法明確僅限于平墊密封的法蘭，不用于其他形式密封的法蘭。

故，該當量壓力計算方法并非適用于所有密封面形式，且該方法用于法蘭設計計算可能是不完全合適的。NB/T 47040-2014 中公式則不區分法蘭密封面形式，但大部分設備法蘭都是以平墊密封為主。

2.3 當量設計壓力公式的推導

法蘭的當量設計壓力計算公式中由3 部分組成即：

(1)設計內壓P。

(2)軸向力F 產生的當量應力PF。

將軸向力F 等效為DG范圍內的內壓，即：

(3)外力矩M 產生的當量應力PM。

其中，b 為墊片寬度。

將作用于墊片區域的應力引起的軸向力等效為內壓引起的軸向力，即：

綜合以上三項，得當量計算壓力的計算公式為：

3 ASME中對于標準法蘭選配的規定介紹

新版ASME Ⅷ-DIV2 2019 中4.16.12 條規定，對于承受外力和外力矩的標準法蘭選配應符合下式要求：

其中PR 為標準法蘭對應材料類別、溫度、等級下的最高許用工作壓力，FM 為力矩系數，按照table 4.16.12 查取，對與符合ASME B16.5 的管法蘭，一般取0.3-1.2。

將上式變形后可得：

該不等式左側與上節中當量設計壓力的計算公式一致，右側相當于對標準法蘭的最高允許工作壓力放大了0.3-1.2 倍。

由此可見，該要求無疑放大了標準法蘭可承受的外載荷的能力，相比于上節中的計算方法更為經濟。

4 法蘭計算方法的比較

設備設計中，往往可以選擇標準法蘭而不必進行法蘭計算。而實際設計中也會遇到標準法蘭不適用，需要通過計算確定法蘭尺寸的情況，而此時需要按標準進行法蘭校核計算。

GB150 中的法蘭計算方法并不包法蘭承受外力和外力矩的情況，對于該情況的法蘭，只能先計算法蘭當量設計壓力，而后進行法蘭強度計算。

ASME 標準中法蘭計算方法同GB150 類似，同時是采用經典的Waters 法蘭計算方法。不同的是，ASME Ⅷ-2 2019 中給出的計算公式中，包含了有外力和外力矩的情況下，法蘭螺栓及法蘭力矩的計算方法。

所需要的最小螺栓面積如下：

考慮外力和外力矩后，法蘭力矩按下式計算

經實際計算發現，從法蘭計算到法蘭選用，到法蘭強度計算，ASME Ⅷ-2 2019 都顯得更為經濟，適用范圍更廣。

5 結語

經過上述對比分析，我們發現ASME Ⅷ-2 2019 對標準法蘭選配到非標法蘭計算，均顯得更為經濟，對以后的法蘭設計，有以下借鑒意義：

(1)對于平墊密封法蘭，需要按照HG/T20582 的要求計算法蘭當量計算壓力，然后選擇合適的法蘭；對于非平墊密封法蘭，按ASME Ⅷ-2 2019 中4.16.12 確定有外載荷時法蘭的最高允許工作壓力(相當于把最高允許工作壓力提高FM倍)。

(2)非平墊密封的非標法蘭設計，可以按ASME Ⅷ-2 2019中4.16 的方式處理外載荷對螺栓和法蘭力矩的影響。以此來計算合適的螺栓面積，活的合理的法蘭尺寸。