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2002 年第 5 期· 5 ·
压力容器
压力容器及管道法兰新的计算方法
蔡仁良张娅莉
(华东理工大学,上海 200237)( 上海森松压力容器有限公司,上海 201208)
摘要本文在回顾压力容器和管道法兰连接规范设计的技术进展基础上,介绍美国 PVRC依据其长期研究成果发展起来的新的螺栓载
荷计算方法,并着重介绍近年来欧洲共同体发展法兰设计方法取得的新成果。
关键词压力容器管道法兰垫片密封设计
压力容器和管道通常采用法兰连接作为可拆连需要化费较多的时间进行设计和计算。这是因为过
接。国内外最通用的法兰连接的规范设计方法是去的计算几乎全是基于力学计算, 即将法兰视为强
ASME Ⅷ-1 附录 2 推荐的“具有环形垫片的螺栓法度结构。为了描述这一结构虽不复杂,但又是一个静
兰连接的计算规则”[1] 。这一方法已经沿用了将近半不定结构,出现了各种假设模型和简化方法,但最终
个多世纪。该方法的主要特征是选择设计垫片系数、都需要预设结构尺寸,然后进行应力验算,因而必定
确定预紧螺栓载荷和验算法兰弹性强度。显易而见, 是一个试差过程。就这些力学计算而言,早期受到广
这一方法给工程遗留两方面的问题: 一是这些设计泛注意的力学分析方法是 1891 —1911 年德国的 Bach
垫片系数能否真正反映垫片的变形特性和密封能法和 1905 年美国的 otiv法[2] 。这两种方法都是
力?由哪些标准试验方法测定这些垫片系数?二是仅基于梁的弯曲。Bach 法在欧洲许多法兰设计规范中
验算法兰强度能否保证法兰接头的密封性? 由什么延续多年。第一个“精确”的方法于 1927 年出自 Talor
样的定量要求确定接头的密封性?ASME和其他传统 Forge [3][4] ,这一“弹性”方法基于弹性基础梁和圆平板
的计算方法没有回答这些问题。近年来,由于对减少弯曲理论, 并成为目前 ASME规范法兰设计方法的
环境空气污染要求越来越严厉, 发达国家广泛禁止奠基者。其间也不乏许多力学工作者,通过各种理论
使用含石棉的密封材料, 使得解决这些问题的呼声修正、补充和简化, 以及试验研究工作, 提出了不少
日益高涨。因此修改压力容器和管道法兰设计规范计算方法。表 1 示出从早期的 Bach 悬臂梁法直至近
的要求变得越发迫切。实际上,上述两类问题旨在将代的基于弹塑性分析法的演变历史。尽管力学工作
法兰设计的两个控制目标—完整性和密封性统一起者在力学分析上已做到了尽可能的精确和完美, 同
来。完整性要求整个法兰结构的机械或热应力控制时他们明知法兰设计的根本任务是防止接头泄漏,
在材料允许范围内; 密封性则要求作用在法兰密封也想了不少办法, 以期通过数值计算能对整个法兰
面上的接触应力(通常称为垫片应力) 使法兰接头的接头在密封方面有所保证, 但在二十世纪七十年代
泄漏率控制在法规允许范围内。解决此统一性的关之前还未见从真正意义上找到解决这一问题的工程
键在于揭示垫片系数—泄漏率—垫片应力的内在规方法。究其根本原因是缺乏可用于设计的垫片性能
律和工程实现方法。为此, 整整化了工程界 30 多年数据。比较有代表性的 ASME Ⅷ-1 附录 2 推荐计算
的努力,这些问题的解决才初露端倪。规则, 其中的垫片系数 y