螺栓法蘭連接設計方法對比分析及國內研究現狀綜述*

李雙權

（中石化廣州工程有限公司， 廣州 510620）

0 引言

工業設備、管道通常采用螺栓法蘭實現連接，連接的密封性對于安全生產、節約能源以及環境保護等方面都有較大的影響。煉化企業所需設備的種類、數量眾多，因此也會用到數量眾多、型號不一的各種法蘭連接接頭，特別是大型煉油企業，動輒需要數十萬甚至上百萬法蘭連接接頭。大型化、高參數化（操作條件）現已成為設備發展的一個基本趨勢，螺栓法蘭連接接頭的密封可靠性就越發重要。

目前，Waters 法是設計、研發和優化法蘭連接結構的主要技術支撐，但在研究法蘭接頭的密封性、強度、變形協調（設計壓力與溫度下）等的分析應用實踐中，此法通常是從墊片、螺栓、法蘭3個角度分別進行的，而不是以整體為視角展開的[1]。當前螺栓法蘭設計的基礎依據主要是線密封比壓或墊片系數，并未涉及緊密性、定量泄漏率，僅僅關注法蘭強度，所以連接是否緊密缺少理論支撐。

基于法蘭連接件的理論研究與實驗分析，Leon GF[2]、Nau B 等[3]認為泄漏是螺栓法蘭連接系統失效的主要原因[4-6]，只有少數連接失效源于強度不足。

隨著裝置的大型化以及能源、環境問題日益受到重視，法蘭密封泄漏問題越來越受到人們的重視，傳統設計方法（Waters 法等）越來越難以滿足環境保護、本質安全提出的更高要求。因此，基于控制泄漏率的螺栓法蘭連接機理研究越來越多的受到研究者關注，其目標包括：以EN13445-3 附錄G 法蘭設計等國外考慮連接緊密性的法蘭設計技術為借鑒參考，分析該類方法的先進性，對比其與傳統Waters 法的區別，對法蘭接頭的密封性、剛度、強度等方面應用此法展開分析，進而不斷改進并完善基于控制泄漏率的螺栓法蘭連接設計方法。螺栓法蘭連接結構的密封性能研究已引起世界各國的普遍重視，且取得了許多顯著成果。

1 法蘭連接設計方法的發展

自Bach 法開始，直至百余年后的新EN1591 標準，對法蘭連接方法的研究一刻也未停止。圖1所示即為法蘭連接技術及其基本標準的演進歷程[7]。

圖1 法蘭連接設計方法發展歷程

最早法蘭連接設計以強度理論為基礎，到現在為止，工程設計依舊以此為理論依據。18世紀末19世紀初，德國和美國分別提出了Bach 法和Locomotive 法，它們都是以梁的彎曲強度理論為基礎[7-8]。相當長時期內，歐洲各國的法蘭設計標準中始終采用Bach法[9]。

以彈性基礎梁與圓平板彎曲理論為基礎的彈性分析方法于1927年問世；Wiliams、Waters 等科學家于1937年提出了taylor-Forge 法（Waters 方法）[7，10]。此法自1940年被第一版ASME鍋爐與壓力容器標準采用以來，始終是ASME標準法蘭連接設計的理論依據。

墊片載荷常數（最小預緊力y和墊片系數m）的概念于1943年由Markl和Rossheim提出[9，11]，這兩個參數提出不久即被錄入ASME 標準，其設計方法也因此而得到了進一步充實、完善，ASME 法就此成形。本質來看，m、y屬于經驗值范疇，和密封介質、壓力、溫度無關，僅和墊片種類、材料相關。截止目前，ASME 法已走過了近80年發展歷程，其間改進不斷，但墊片密封性始終沒有被考慮。

德國科學家Schwaigerer 于1951—1961年提出采用彈塑性分析方法的Schwaigerer 法[10]。1964年，德國標準化學會以Schwaigerer 成果為主要依據完成了DIN V 2505 發布，密封性分析與應力分析同時涵蓋其中。

美國PVRC（壓力容器研究委員會）于20 世紀70年代初正式開啟螺栓法蘭連接系列實驗。1989年，一種確定螺栓載荷的新方法——PVRC法[12]在歷經一系列的研究、程序修正后被正式提出。1994年，PVRC正式公布3個重要墊片參數——Gb、a、Gs，并提出相應測試技術——PVRC 室溫密封試驗（Room Temperature Tightness Test， ROTT）[7]。PVRC 法考慮了螺栓連接的緊密性，但是其強度計算依然以Waters 方法為依據。工程領域內目前依然沒有運用，因其標準依然沒有形成[13]。

1990年，德國標準化學會完成了DIN E 2505 發布，這是DIN V 2505 的修訂版。1995年，該會發布DIN 28090-1995 標準，意在彌補DIN E2505 的不足。CEN隨之將其納入并就此成為制訂歐盟法蘭設計標準的基礎。1997年，CEN 完成了prEN1591 標準[10，12]起草，并于2001年提出EN1591 這種全新法蘭連接計算方法。2002年，EN13445-3 以附錄G 形式收錄了EN1591。

綜上所述， 法蘭連接設計方法主要有兩類： 其一，EN1591 方法，以歐洲標準為代表；其二，Waters 法和PVRC法，以ASME標準為代表。

2 法蘭連接設計方法比較

2.1 Taylor -Forge法（Waters法）

Waters 法是ASME Ⅷ-1 等傳統螺栓法蘭設計方法的基礎，GB/T 150-2011 法蘭計算也是基于此。GB/T 150 或ASME法蘭設計標準主要為了法蘭環厚度確定與強度校驗，沒有考慮法蘭接頭密封性[14]。

（1）計算模型。Taylor-Forge 法（Waters 法）計算模型實質上是一種力平衡計算，其基礎在于墊片應力已知、螺栓法蘭聯接靜定結構假設、彈性基礎梁和圓平板彎曲理論。計算時僅考慮法蘭體系整體的強度完整性，螺栓載荷變化關系（預緊與操作時）被忽略。所以，不能反映螺栓法蘭實際連接安裝情況。

（2）墊片系數m、y。Waters法中的墊片系數m、y是形式上的，和密封流體介質的種類沒有關聯性，也沒有考慮與法蘭接頭密封性能的關系。

（3）螺栓設計載荷。Waters 法中，預緊和操作狀態下螺栓載荷是互相獨立、沒有任何關系的，但實際上螺栓載荷的變化相互是有關聯的。Waters法以墊片系數m、y為基準計算得出的設計螺栓載荷值偏小。從安裝實踐來看，螺栓承受的預緊載荷最少約2～3倍于設計值。

（4）墊片寬度。Waters 法提出有效墊片寬度的概念，墊片真實接觸寬度并非有效墊片寬度，且在預緊、操作過程中，墊片真實接觸寬度是一個動態參數。

雖然如此，Waters 法的應用并未受到太多影響，主要是由于設計螺栓載荷值明顯小于安裝實踐形成的預緊螺栓載荷，這很大程度上保證了密封的緊密性。

2.2 PVRC方法

針對上述Waters 法存在的問題，PVRC 提出緊密度概念，且完成了Gb、a、Gs這3 個新的墊片參數界定及墊片應力與緊密度關系構建， 并提出相應墊片系數試驗方法——PVRC-ROTT 法。PVRC 法的目的在于提高密封可靠性，修正ASME標準的缺陷。

PVRC具有如下特點。

（1）引入代表緊密性（密封程度）的設計指標Tp，提出新的螺栓載荷算法（基于泄漏率準則）。其所提出的Gb、a、Gs和Tp等新的墊片系數多源于真實密封測試結論（真實環境中），因此與真實墊片狀態更相近。

（2）從螺栓、墊片、法蘭整體入手分析墊片壓縮應力與螺栓載荷的關聯，即基于墊片應力（預緊工況下）推算出操作工況下的墊片（壓縮）應力。因此，PVRC法可基于給定墊片種類、預緊螺栓載荷，預測法蘭連接可達到的密封等級；抑或給定密封等級（允許泄漏率），計算墊片所需預緊和操作應力。

（3）PVRC方法的法蘭應力計算和合格評定與Waters法相同。但ASME 目前并沒有接納此法，其與傳統方法并用在當前工程實踐領域比較普遍。

2.3 EN1591方法（EN13445-3附錄G）

歐洲標準主要采用兩種法蘭聯接算法，即EN13445 正文采用的Waters 法和EN13445-3 附錄G 中列入的方法——EN1591 方法， 又稱作“EN1591 方法” 或“ 另一方法”。EN1591方法具有如下特點。

（1）EN1591方法中，強度設計計算確保螺栓法蘭連接系統有足夠的強度，亦即確定螺栓預緊載荷的上限值；密封設計計算確定的是滿足允許泄漏量所需最小螺栓載荷，亦即螺栓預緊載荷下限值。螺栓預緊載荷應在上述范圍之間。

（2）法蘭接頭的密封性能和力學特性得到更加全面的反映，讓法蘭接頭實際情況與設計計算值吻合度更高。同時涵蓋了強度設計準則和密封設計準則，操作狀態下的墊片應力、螺栓載荷變化更容易掌控。

（3）墊片性能參數的真實性決定此法中的密封分析計算。

（4）有更多因素需要考慮，迭代計算任務多，算法更繁雜，一般需要通過電腦編程來完成此類計算。

（5）EN新方法并未累積足夠的應用經驗。

綜上所述，計算過程簡化是此法未來發展的重點，否則勢必會影響到其工程應用，阻礙其現實發展。

表1所示為ASME、PVRC和EN三種法蘭設計方法主要特征及差異[11-12]。

在地形、地質條件不利于布置開敞式溢洪道的壩址條件下，選擇采用洞式溢洪洞方案。坪寨（壩高H=162 m）、九甸峽（H=137 m）、洪家渡（H=179.5 m）等工程處高山峽谷地區，溢洪道開挖會造成不穩定高邊坡及較大幅度增加開挖工程量，采用的開敞式進口后接隧洞（洞式溢洪道）的泄洪方式，具有明流隧洞超泄能力大、適應高陡地形條件的特點。

表1 ASME、PVRC和EN法蘭連接設計方法的對比

因為不同標準方法存在技術內容差異，其次存在材料標準、制作過程、測試方法等差異，所以不同螺栓法蘭設計標準方法的對比比較困難。

3 國內法蘭連接研究現狀

工程應用實踐結果表明，新螺栓法蘭設計方法盡管早已被歐美科學界提出，卻并未實質性影響或改變Waters 法的應用普遍性，而且在可預見的未來，這種狀態依然不會出現明顯變化。而從密封性能上來看，改善、提升密封性能是世界各國的普遍需求，這是基于可靠性提升而形成的一種普遍需求，而基于強度這一單純準則的設計方法顯然難以吻合當代工業發展需要，也就是說，螺栓法蘭連接系統設計同時需要顧及泄漏率，只有如此，才能提升螺栓法蘭連接設計標準與設計質量，符合飛速發展的工業實踐現狀。所以有必要進一步分析探索以泄漏率控制為目標的墊片系數與螺栓法蘭設計方法。

顧伯勤通過試驗研究非金屬墊片的氣體泄漏過程，提出了多孔介質泄漏模型[15-16]，同時還構建了螺栓法蘭接頭泄漏率與墊片有效寬度、介質粘度、流體介質壓力、墊片應力關系，基于圖算法預測了法蘭接頭泄漏率；基于常溫環境中金屬平墊片試驗，顧伯勤、馮秀[17-20]完成了金屬墊片泄漏模型構建，其所提出的泄漏率算法將墊片壓緊應力、介質壓力、泄漏率與密封表面分形參數有效關聯起來。

蔡仁良、應道宴、蔡暖姝等[21-25]對螺栓法蘭接頭安全密封技術進行了系統全面的研究。研究結果表明，螺栓法蘭接頭密封性能如何主要取決于安裝（目標）螺栓載荷確定與控制的合理性；同樣應參考安裝技術安全裕度、外荷載、波動與溫度、內壓、墊片松弛等來確定實際安裝所需墊片應力或螺栓荷載。

李駿等[26]采用正交試驗法分析了密封結構（墊片、法蘭、螺栓）泄漏率每一種因素干擾的大小及其最佳搭配，結果表明，最易影響泄漏率的因素有兩個，其一為墊片寬度，其二為工作壓力。

莊法坤等[27]運用ANSYS 有限元軟件建立了螺栓、法蘭、墊片系統模型，以便對預緊、操作法蘭接頭進行仿真分析?；谀M獲得墊片應力分布（內壓、溫度、墊片寬度均不一樣前提下）和螺栓應力在接頭工作條件下的波動趨勢，基于模擬對墊片應力所受介質壓力、溫度及墊片寬度的影響進行了定量描述。

喻健良等[28]利用有限元分析方法對管法蘭連接（DN100 mm，PN40 MPa）展開熱-結構耦合場分析和穩態溫度場分析，進行了螺栓、墊片和法蘭在載荷、溫度、內壓共同影響下的應力變化與溫度分布分析，認為墊片、螺栓、法蘭存在溫度梯度（沿徑向）；墊片應力在內壓加載后會顯著下降；墊片內側應力會因溫升而提高、外側應力會因溫升而下降；螺栓應力則會因溫升、加壓而同步提高。

建立DN200 法蘭高溫密封性能測試平臺，羅從仁[30]分析了常溫下2種螺栓加載技術，明確了全順次加載技術（載荷漸增）的現實優勢，并確定最低加載輪次；隨之實驗分析了螺栓載荷在法蘭接頭變壓、變溫（升壓與升溫）條件下的變化狀態；同時以數值模擬技術為理論支撐展開了法蘭高溫泄漏原因分析判斷，描述了墊片應力所受法蘭升溫速度的影響，穩態熱-結構耦合場分析與瞬態熱-結構耦合場分析的相同點與不同點，且提出法蘭密封性能改進策略，高溫環境中法蘭密封所受墊片類型的影響也是該學者分析的一個重點。

黃鑫[31]完成了標準壓力容器法蘭計算過程中Waters 法、EN 法螺栓預緊力異同對比，進行了基于Waters 法和EN 法的螺栓預緊力所受墊片種類、設計壓力、法蘭公稱直徑等的影響規律分析?；谟邢拊治鐾瓿闪税惭b法蘭接頭螺栓時采用Waters 法和EN法指導的可行性驗證，分析判斷了合適螺栓預緊力（適合安裝）范圍。

基于密封機理探索、國內泄漏率測量技術，孫召鋒[32]完成了墊片系數（基于泄漏率）測量方案設計，同時設計并搭建了測試設備?；诟鞣N測試環境中的泄漏率測試數據完成了泄漏率、預緊比壓y和墊片系數m三者之間關系分析，并進行曲線擬合，獲得了不同泄漏率前提下兩個墊片參數m和y對應值，同時還給出法蘭設計過程中的墊片系數m、預緊比壓y（針對差異化泄漏率的現實需求）這兩個基本參數的建議值。

基于定量控制泄漏率意圖，鹿璐[33]分析了典型石化過程承壓設備柔性石墨金屬纏繞墊片的性能與結構。完成了壓縮回彈性能受墊片纏繞密度的影響實驗分析，在擬合墊片壓縮回彈性曲線（不同纏繞密度）基礎上完成了回彈特性方程與壓縮特性方程（和墊片纏繞密度相關）構建；基于墊片密封性能受纏繞密度的影響分析，獲得墊片泄漏率在纏繞密度不同前提下伴隨應力波動而變化的規律。

李國蒙[34]基于螺栓法蘭墊片密封系統，通過實驗研究、理論推導以及Ansys三維有限元等多種方式，選取帶頸對焊法蘭，以纏繞墊片為研究對象，充分考慮墊片的非線性，對泄漏率以及密封失效進行了研究。試驗結果表明，墊片壓緊應力與泄漏率成冪指數函數關系；墊片寬度與泄漏率成反比例函數關系；介質壓力與泄漏率成線性關系；介質黏度與泄漏成反比例函數關系等。

郭秭君[35]有限元數值模擬了柔性石墨-不銹鋼金屬纏繞墊片結構和螺栓法蘭墊片接頭整體結構，同時實驗測試了纏繞墊片，并對螺栓法蘭墊片接頭密封性能存在實際影響的各種因素進行了探討分析，完成了墊片接頭整體結構有限元模型構建，對兩種工況（預緊與操作）中墊片承受的壓應力與接頭形變進行了分析。結果表明，墊片承受的壓應力會因法蘭盤偏轉而出現徑向分布失衡現象，墊片外緣會出現決定著接頭的密封性能的最大壓應力環帶；接頭泄漏率會因法蘭偏轉而受到一定程度的影響，但泄漏率與偏轉程度并不具有正相關性。

劉炎等[13]測試了不同加卸載循環和不同介質壓力條件下石墨纏繞墊片密封性能，在此基礎上，提出與工程實踐更相接近、更相吻合的某種m、y參數測試技術。擬合墊片系數m和泄漏率關系（墊片初始表面應力不同前提下），獲得能達到各種緊密度等級必備的預緊比壓y和墊片系數m這兩個參數，同時還進一步優化了預緊比壓y、墊片系數m取值，以便這兩個參數更能貼合工程實踐需要。由于預緊比壓y、墊片系數m之間的關聯關系被新墊片參數測試技術全面考慮在內，因此這種新技術能將墊片特性更為全面而準確地體現出來，以此支持法蘭密封結構設計（基于泄漏率），促進石化設備泄漏率下降。

王璐等[36]發明了一種基于泄漏率的螺栓法蘭連接結構分析設計方法。該發明所提出的基于泄漏率的螺栓法蘭連接結構分析設計方法既考慮了螺栓法蘭連接結構的強度準則，同時又考慮了其密封性能，為解決目前國內螺栓法蘭連接結構設計時未考慮泄漏率的問題提供了技術支撐。

王璐等[37-39]采用有限元分析方法分析了墊片接觸應力、法蘭偏轉角度所受法蘭尺寸、介質內壓、螺栓預緊載荷的影響，以及螺栓預緊、運行前提下的墊片接觸應力、法蘭應力分量、法蘭偏轉角，提出了確定螺栓最高安裝荷載的具體策略；考慮墊片材料的非線性和遲滯性，模擬了螺栓法蘭接頭的預緊過程，對墊片接觸應力、分布狀態和螺栓荷載的分散性進行了分析，墊片應力場所受介質內壓的影響也是學者分析討論的內容，就此從理論層面支撐了螺栓法蘭接頭設計（基于緊密度）和螺栓法蘭接頭密封性能判斷。

基于有限元+實驗模式、常溫下墊片泄漏率測試與壓縮回彈實驗，肖光凱[40]測試了外彎矩下金屬與金屬FLT 型（浮動型）、MMC 型（接觸型）螺栓法蘭接頭的力學特征，在此基礎上驗證有限元分析結果，同時定量評定了兩類接頭在外彎矩下的密封性與強度。完成了外彎矩下3個法蘭連接（尺寸各異的MMC石墨墊片內嵌其中）的密封性與力學性能分析，確定了法蘭接頭外彎矩抵抗能力所受石墨密封環尺寸改變的影響。

以金屬齒形石墨組合墊為研究對象，賈丙中[41]基于數值模擬、試驗測試、調查分析等方法，構建了允許泄漏率與墊片系數的關系。以有限元分析軟件（ANSYS）為支撐，從數值層面模擬了不同目標泄漏率前提下螺栓法蘭墊片密封結構，與此同時還完成了螺栓法蘭墊片的結構強度校核。

4 結束語

本文簡要介紹了螺栓法蘭連接設計方法發展的歷程，并對國內外3種主要螺栓法蘭連接設計方法進行了對比分析，對設計人員深入理解并更合理地進行螺栓法蘭連接系統的設計具有重要的參考意義。目前，Waters 法仍然是主要采用的螺栓法蘭連接設計方法。但是從長遠來看，基于控制泄漏率的螺栓法蘭設計技術將會越來越受到重視。國內對基于控制泄漏率的螺栓法蘭設計方法相關問題進行了深入分析和研究，取得了很多新成果，但沒有形成系統性和標準化，需要更加全面和系統的研究。

基于以上分析，今后基于控制泄漏率的螺栓法蘭連接設計方法研究工作的重點將集中在以下幾方面。

（1）墊片泄漏率計算模型的研究。研究多因素條件下墊片密封性能的影響，完善墊片泄漏模型，有助于基于控制泄漏率的法蘭連接設計方法的改進和推廣應用。

（2）墊片性能參數及測試方法的系統化研究。國內外專家對不同類型墊片的性能參數做了許多試驗研究，但是墊片材料、類型繁多，而且墊片廠商眾多質量參差不一，同時還缺乏不同壓力、溫度條件下更精確的經驗數據，所以后續還需要進行大量、系統性的多因素（溫度、壓力等）影響下的基于墊片泄漏率的墊片系數的研究測試工作，統一測試方法，提高測試裝置的精度，從而使得到的墊片系數更具有代表性、高精確性和普適性。

（3）研究法蘭連接接頭全過程行為多因素（墊片應力、螺栓預緊方式、法蘭剛度和偏轉角、法蘭外彎矩等）對螺栓載荷的影響，提出更精準的能夠滿足目標泄漏率要求的螺栓載荷。

（4）基于控制泄漏率的螺栓法蘭計算方法的簡化研究，并輔助于ANSYS、ABAQUS 等有限元模擬軟件進行模擬分析。

（5）開發基于控制泄漏率的螺栓法蘭連接設計專家系統軟件，對正確合理選用密封墊片、優化法蘭連接密封的設計，以及促進螺栓法蘭密封技術研究和工程應用都具有重要的意義。