劉永，付松濤

（航天晨光股份有限公司，南京 211100）

在GB/T 150.3—2011 第3 部分[1]中， 螺栓法蘭連接的設(shè)計(jì)是根據(jù)承受流體靜壓力及墊片壓緊力計(jì)算的， 但該計(jì)算只適用于剛性容器或管道的情況，當(dāng)安裝了非約束型膨脹節(jié)時(shí)，則變成了柔性容器或管道，流體靜壓力產(chǎn)生的載荷發(fā)生了顯著變化，需要重新計(jì)算。

在EJMA 第10 版[2]4.8 節(jié)中描述了剛性管道和安裝非約束型膨脹節(jié)的柔性管道法蘭承受載荷的不同。在剛性管道中，管道和法蘭需要承受和平衡因壓力產(chǎn)生的軸向推力，這樣就在法蘭聯(lián)接處產(chǎn)生了一個(gè)使密封墊片松動(dòng)的力和力矩，該軸向推力需要法蘭螺栓來(lái)約束，其具體計(jì)算可參照文獻(xiàn) [1]第7 章。然而在安裝一個(gè)非約束型膨脹節(jié)的柔性管道中，波紋管作為柔性元件，內(nèi)壓引起的作用于波紋管的軸向力不能被自身平衡，因此為了維持波紋管不被軸向推力拉長(zhǎng)，在閥門處、管道轉(zhuǎn)向處、管道盲端和主要支管的接口處通常安裝了主固定支座（或設(shè)備可起到主固定支座作用）來(lái)承受這樣的壓力推力，詳見(jiàn)EJMA 第2 章膨脹節(jié)的選用和應(yīng)用，這樣法蘭載荷變化的同時(shí)釋放了螺栓的這個(gè)載荷。EJMA 第10 版4.8 節(jié)對(duì)法蘭的載荷變化作了說(shuō)明（EJMA 把壓縮載荷差認(rèn)為是FS-FP，并且是壓緊墊片的額外載荷，這種描述不準(zhǔn)確，容易引起理解混亂。FS與FP是EJMA 中的符號(hào)，分別為內(nèi)壓引起的作用于波紋管的軸向力和內(nèi)壓引起的作用于管道（或法蘭）內(nèi)徑截面的軸向力，本文的符號(hào)分別對(duì)應(yīng)為FB和FD），并且附錄J 提出了算例6。

除了上述兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)涉及法蘭連接的計(jì)算外，在GB/T 20801.1—2006 第3 部分[3]第6.4 節(jié)，當(dāng)法蘭承受外部軸向力和彎矩時(shí)，采取了計(jì)算當(dāng)量壓力來(lái)代替設(shè)計(jì)壓力進(jìn)行設(shè)計(jì)，雖然簡(jiǎn)便，但存在一定的誤差，如螺栓載荷WP的計(jì)算，不能把操作狀態(tài)下的墊片最小壓緊力FP的壓力pc用當(dāng)量壓力計(jì)算；還有在法蘭力矩的計(jì)算時(shí)，沒(méi)有考慮不同的力有不同的力臂。

螺栓法蘭連接的設(shè)計(jì)看似非常復(fù)雜，涉及了不同的法蘭型式和墊片型式，還有內(nèi)外壓工況，但其基本方法是確定墊片壓緊力和螺栓載荷，根據(jù)墊片壓緊力、螺栓載荷及流體靜壓力對(duì)法蘭各個(gè)部位產(chǎn)生的作用力，計(jì)算合力矩，得出法蘭的應(yīng)力。通過(guò)梳理分析發(fā)現(xiàn)，在安裝了非約束型膨脹的情況下，僅僅是增加了一處的軸向載荷，即內(nèi)壓引起的作用于波紋管的軸向力，該載荷改變了操作狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷以及操作狀態(tài)下的法蘭力矩。本文詳細(xì)分析和計(jì)算了螺栓和法蘭的載荷變化。除了本文列出的計(jì)算公式外，標(biāo)準(zhǔn)中的參數(shù)選取和其他計(jì)算公式包括應(yīng)力計(jì)算和應(yīng)力校核均不變。

2 窄面法蘭

2.1 內(nèi)壓操作狀態(tài)載荷

2.1.1 法蘭連接載荷

為了簡(jiǎn)化，選取文獻(xiàn) [1]圖7-1 c 整體法蘭為例，說(shuō)明法蘭連接載荷情況，其他法蘭型式的載荷變化是相同的。本文圖1 和文獻(xiàn) [1]圖7-1 c 的區(qū)別在于，為了便于理解力的相互作用，左側(cè)增加了配對(duì)的法蘭和波紋管，增加了內(nèi)壓引起的作用于波紋管的軸向力FB。為了便于和剛性管道法蘭的計(jì)算比較，載荷忽略了膨脹節(jié)剛度力，見(jiàn)圖1。

圖1 窄面法蘭Fig.1 Narrow face flange

內(nèi)壓引起的作用于波紋管的軸向力FB不影響預(yù)緊狀態(tài)下的螺栓和法蘭載荷，所以下面的螺栓和法蘭的載荷分析和計(jì)算均為在操作狀態(tài)下。

2.1.2 螺栓載荷

預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷（7-4）不變。

根據(jù)圖1 所示，在操作狀態(tài)下，膨脹節(jié)側(cè)法蘭受到內(nèi)壓引起的作用于波紋管的軸向力FB作用，與內(nèi)壓引起的總軸向力F 方向相反；根據(jù)EJMA 第10版4.8 節(jié)的說(shuō)明，剛性管段側(cè)的主固定支座要承受FB，則法蘭要受到主固定支座的反作用力FB，與內(nèi)壓引起的總軸向力F 方向相反，F(xiàn)B有壓緊墊片的作用，這樣作用于墊片的為這兩個(gè)力之差F-FB（而不是EJMA 認(rèn)為的FD-FB），可減少螺栓的壓緊力。

操作狀態(tài)下的需要的最小螺栓載荷公式（7-6）變?yōu)椋?/p>

一般情況下DG和Dm大小接近，因此F 和FB大小接近，F(xiàn)-FB≈0，則操作下?tīng)顟B(tài)下需要的最小螺栓壓緊力WP≈FP。

螺栓的其他計(jì)算公式均不變。

2.1.3 法蘭載荷

根據(jù)圖1 的載荷說(shuō)明，法蘭力矩是由不同力臂下的分量力產(chǎn)生的力矩矢量和，作用于LD處的用于計(jì)算法蘭力矩的分量力變?yōu)榱薋D-FB（EJMA 提到的FD-FB涉及的是計(jì)算墊片壓緊力）。則操作狀態(tài)下的法蘭力矩公式（7-14）變?yōu)椋?/p>

法蘭的其他計(jì)算公式均不變。

2.2 外壓操作狀態(tài)載荷

2.2.1 法蘭連接載荷示意圖

參照?qǐng)D1，反映螺栓壓緊力的W 和FG方向不變，其他壓力引起的載荷方向相反。

在計(jì)算中所有值取正值，根據(jù)正反方向進(jìn)行加減。

2.2.2 螺栓載荷

操作狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷公式（7-6）變?yōu)椋?/p>

螺栓的其他計(jì)算公式均不變。

2.2.3 法蘭載荷

操作狀態(tài)下的法蘭力矩公式（7-24）變?yōu)椋?/p>

法蘭的其他計(jì)算公式均不變。

3 反向法蘭

本文圖2 和文獻(xiàn) [1]圖7-9 的區(qū)別在于增加了波紋管，以及內(nèi)壓引起的作用于波紋管的軸向力FB。

圖2 反向法蘭Fig.2 Reverse flange

3.1 螺栓載荷

螺栓載荷按照本文2.1.2 的規(guī)定。

3.2 法蘭載荷

則操作狀態(tài)下的法蘭力矩公式（7-26）變?yōu)椋?/p>

法蘭的其他計(jì)算公式均不變。

4 寬面法蘭

為了簡(jiǎn)化，本文選取文獻(xiàn) [1]圖7-13 的高徑法蘭為例，其他法蘭型式的載荷變化是相同的。本文圖3和文獻(xiàn) [1]圖7-13 的區(qū)別在于增加了波紋管，以及內(nèi)壓引起的作用于波紋管的軸向力FB。

圖3 寬面法蘭Fig.3 Full face flange

4.1 螺栓載荷

操作狀態(tài)下的螺栓載荷計(jì)算公式（7-50）不變，仍為：

但式中的FR公式變?yōu)椋?/p>

4.2 法蘭載荷

法蘭力矩計(jì)算公式（7-51）不變，但FR采用本文4.1 的計(jì)算。

法蘭的其他計(jì)算公式均不變。

5 結(jié)論

在安裝非約束膨脹節(jié)的管道或壓力容器上，通過(guò)分析，一般螺栓載荷與法蘭的力矩顯著變小了，這樣可以減少螺栓數(shù)量或直徑以及法蘭壁厚，從而減少成本，可以抵消因增加主固定支座的成本。簡(jiǎn)便的方法是，可以從計(jì)算的載荷反過(guò)來(lái)推算出當(dāng)量操作壓力，選用靠近的上一壓力等級(jí)法蘭。新版壓力容器標(biāo)準(zhǔn)可以增加安裝非約束膨脹節(jié)的法蘭連接的計(jì)算公式。鑒于膨脹節(jié)應(yīng)用廣泛，可以參照法蘭標(biāo)準(zhǔn)，系列設(shè)計(jì)法蘭規(guī)格，便于選用。

符號(hào)說(shuō)明

Dm——波紋管波紋的平均直徑，mm；

F——內(nèi)壓引起的總軸向力，N；

F'——對(duì)于寬面法蘭，內(nèi)壓引起的總軸向力，N；

Fa——預(yù)緊狀態(tài)下需要的最小墊片壓緊力，N；

FB—— 內(nèi)壓引起的作用于波紋管的軸向力，0.875pc，N；

FD—— 內(nèi)壓引起的作用于法蘭內(nèi)徑截面上的軸向力，N；

FG—— 窄面法蘭墊片壓緊力，包括Fa、FP、W（預(yù)緊）三種情況，N；

FP——操作狀態(tài)下需要的最小墊片壓緊力，N；

F'P—— 對(duì)于寬面法蘭，操作狀態(tài)下需要的最小墊片壓緊力，N；

FR—— 對(duì)于寬面法蘭，作用在螺栓中心圓外側(cè)，為平衡FD、F'P、F'T產(chǎn)生的力矩所需的軸向力，N；

FT——內(nèi)壓引起的總軸向力F 與FD之差，N；

F'T—— 對(duì)于寬面法蘭，內(nèi)壓引起的總軸向力F'與FD之差，N；

LA—— 螺栓中心至法蘭頸部與法蘭背面交點(diǎn)的徑向距離，mm；

LD—— 螺栓中心至FD作用位置處的徑向距離，mm；

LG—— 螺栓中心至FG作用位置處的徑向距離，mm；

L'P—— 對(duì)于寬面法蘭，螺栓中心至墊片壓緊力作用中心的徑向距離，mm；

LT—— 螺栓中心至FT作用位置處的徑向距離，mm；

L'T—— 對(duì)于寬面法蘭，螺栓中心至F'T作用位置處的徑向距離，mm；

MP——法蘭操作力矩，N·mm；

W——螺栓設(shè)計(jì)載荷，N；

WP——操作狀態(tài)下需要的最小螺栓載荷，N。