EN1591法兰计算标准简介(二)

标准规范

（二）!"#$%#法兰计算标准简介

蔡仁良

（华东理工大学，上海

摘

&’’&()）

——第一部分：计算方法》是欧盟要：!"#$%#*《#法兰及其接头*垫片圆形法兰连接的设计规则—

发布的压力设备指令（+!,）的协调标准和!"#(--$《非受火压力容器》收录的法兰设计方法。本文

对!"#$%#*#新的设计思路和计算原理作一介绍，并与传统的./0!规范方法进行对比。法兰；密封关键词：!"#$%#；

中图分类号：12’$$34；1*5$#

文献标识码：.

文章编号：（&’’(）#’’#*-4()##*’’’5*’-

（&）!"#$%&’(#)%"#%*+,"-./.0)-"1#,"&,$&23#$%#

45!6."*+),"-（!6789:;<6=<;>?@7;8ABC/D;?<D?6<E1?D:<BFBGA，/:6<G:6;&’’&()，9:;<6）

“HF6<G?76<E1:?;@IB;<8*,?7;G<JKF?7CB@L67M?8?E9;@DKF6@HF6<G?9B<<?D8;B<7*570#$,(#：!"#$%#*#

+6@8#：96FDKF68;B<N?8:BE”;78:?:6@NB<;O?E786<E6@EBC+!,;77K?EPA!K@BQ?6<9BNN;77;B<BC786<E6@E;O6R

“=<C;@?E+@?77K@?S?77?F7”8;B<6<E;76F7B8:?E?7;G<N?8:BEBCCF6<G?CB@!"#(--$TU<8:;7Q6Q?@，<?V;E?66<EQ@;<D;Q;6BC!"#$%#*#V67;<8@BEKD?E6<EDBNQ6@?EV;8:DB<>?<8;B<6F./0!DBE?N?8:BE67V?FFT

8.9:%$&0：!"#$%#；CF6<G?；7?6F;<G

$载荷限制值的确定准则

垫片的强度准则相当于限制垫片的压缩，必须验证下列的载荷比："%!’%(

"%X)!#

N6W

式中"%———垫片反作用力

——理论垫片接触面积’%(—

$3&

——垫片最大允许压缩应力)N6W—

螺栓载荷比

螺栓的强度准则相当于限制螺栓的伸长。螺栓的极限载荷计算式如下："#&*(，#&

）Y（）!,#&(’#+#

式中"#———螺栓载荷

（

——螺栓截面积’#—

——作用在螺栓杆的扭矩（取决于螺栓*(，#—

紧固装置）

（#)）（#5）

一般而言，有几种法兰结构的失效型式：过度变形、蠕变、磨蚀!腐蚀和疲劳。和某些规范一样，!"#$%#也不考虑法兰和螺栓的蠕变以及疲劳。在

强度准则出于防止过度的塑性变形，相!"#$%#中，

当将连接系统的载荷限制在按理想塑性材料进行极限分析所确定的极限载荷的安全范围内，这些限制在!"#$%#中以计算载荷比，即作用于该部件的载荷与部件强度的比率!表示。用于计算的名义设计应力取自相应的计算规范，例如!"#(---。因各种紧固螺栓方法都存在某种程度的不精确性，预紧工况的载荷比按"#$N6W计算；在其后的计算工况，计算载荷比所用的力出自装配垫片力"%&。若频繁反复装配，则需要限制塑性变形累积。$3#

垫片载荷比?5?万方数据

第#/卷第""期压力容器总第"%#期

——螺栓杆的塑性扭转模量!"———螺栓的名义设计应力（按压力容器规#"—

范的定义和采用的数值）

于是，载荷比必须满足下式给出的条件："（"&）!"!#"

式中&———螺栓扭矩系数：&!"系基于塑性极限准则，据此在装配时某些有限的塑性应变可能在螺

：垫片表面压力必须高于即在装配工况下（!!/）

（预紧准则）；在其后的所有工况下（!9/）：垫片/178

。表面压力必须高于/（密封准则）!

如果没有密封试验依据，/!可由56"(,"+#中的/!)2值决定。当有密封试验依据时，/!可根据给定的压力，温度和最大垫片表面压力下要求的泄漏率来确定。

由/178和/!值决定需要的最小螺栓预紧力

此需通过迭代计算直到假设的预紧力接近计$，

栓外圆发生；&!’)%系基于弹性极限准则。

()%法兰载荷比

法兰的强度准则相当于限制法兰的转角。对法兰而言，极限载荷计算仅就法兰环或焊环截面，尤其在某些情况下仅针对其危险截面。以下为确定与壳体连接的法兰的极限载荷的例子（若取*+为法兰环的周向应力和*$为法兰环的屈服应力或名义设计应力）。

由弹性理论确定因变形引起的法兰环中的合力和弯矩为：

,$!$#*+?*%

’$

!+

+

?*%

（",）

按极限载理论：#*?-*+!-*$+./"-.-/

*+!-*$

-/.-"$.0

（#/）

对长方形截面：

,$!-*$?1$?

（#-/$./+.0）’$!-*$?1$?［"#.#/

$.#0）+-#/］（#"）于是，法兰环的极限载荷公式为

’*$?1$?.#0’$$$,（.$.0+$#）0$（,$*$1）#

$.$!"

（##）

采用按弹性理论确定作用于法兰环的,$和’$

表达式，同时取作用于与壳体相连的法兰环上的力和弯矩表达式，于是得到与壳体相连的法兰的载荷比表达式。对所有计算工况，各载荷比应小于或等于"。对较宽范围的整体法兰和活套法兰则要求更严格：载荷比应小于或等于!123."。4预紧的考虑4)"

预紧力计算

如前所述56"(,"计算基于完整性和密封性准

则，因而最小预紧力考虑预紧和密封两者的要求。

万方数据

"3:;<算要求的预紧力。4)#

考虑预紧分散性和确定预紧扭矩

由于紧固方法导致最终结果的分散性，所以实际螺栓预紧力必须大于需要的螺栓预紧力。56"(,"以$"和+"考虑紧固方法的分散度。因此，实际螺栓预紧力$"3受到如下的限制：

$"/178"$"/"$"/123

（#%）式中

$"/178!$"/2=

（"+"+）$"/123!$"32=

（"$"$）（#’）

$"32=—

——平均螺栓预紧力名义螺栓预紧力$"38>1必须进行如下的校核：$$"/8>1$

（"+"（#(）+）

同理，计算装配工况下的载荷比用如下的紧固力：

$"/123!$"/8>1

（"$"$）（#4）

为了达到名义螺栓预紧力$"48>1，紧固螺栓需要的扭矩值如下式所示：

’$(8>1!"/8>150(（#A）

"##$#?>@(6(%$565

#）式中

5"—

——螺栓数目65———螺母与螺栓头的平均接触直径6(—

——螺纹的平均接触直径$5———螺母与螺栓头的摩擦系数$(—

——螺纹的摩擦系数0(———螺纹的牙距%———螺纹半角A

56"(,"+#简介

56"(,"+#是56"(,"+"的补充，

目的是提供56"(,"+"计算需要的垫片参数，如78、/!)2、93和:"等。表"为56"(,"+#定义的垫片参数。标

准同时列出非金属（软）平垫片或具有金属加强的平垫片、具有表面覆层的金属齿形垫片、缠绕式垫片、

?A?

.C#(（二）!"$%&$法兰计算标准简介#HI’,J"H$$’,,+

实心金属垫片和金属包复垫片等的垫片参数数据。因为!"#$%&$—’出自原东德标准［()*+’&,+!$+

（$&-+）］，数据来源不明，没有具体的试验方法，垫片参数与泄漏率没有关系，温度对垫片系数的影响也未予反映。因此，$&&&年.!"/(.01在23"’-,&,基

［$,］

础上，提出了45!"$+%%%，目的是提供!"$%&$6$中计算需要的垫片参数的试验方法。45!"$+%%%中的垫片参数与!"$%&$6’的基本相同，如表’所示。-与789!!6$法兰计算方法的比较

以上将!"$%&$做了一个较详细的介绍，通过表

表’

工况

垫片参数最小垫片装配应力

装配工况最大垫片装配应力

":;BB符号

体现!"$%&$+再对它与789!!6$作一汇总对比，

的总体考虑思路和现代设计理念。

表$

!"#$%&$6’定义的垫片参数垫片系数

平均有效需要垫片压缩应力（操作状态）

垫片材料的最大允许压缩应力

最小必需压缩垫片应力（装配状态）

":=>的测量值

垫片卸载压缩模量（装配状态）"%A,时#$值系数（#$随压缩应力的改变率）

垫片蠕变系数

符号""":;<":=>":;<5?@#$#&’$()

45!"$+%%%垫片系数

定义

试验方法泄漏试验

":=>（*）装配时达到允许泄漏率水平*下的最小垫片应力

为避免垫片蠕变和松弛后，在操作温度下的垫片应

力不超过"+:;<的最大垫片应力（室温）操作时达到允许泄漏率水平*的最小垫片应力（卸载）

由"+:;<求得

最小垫片工作应力

操作工况最大垫片工作应力

"+:=>（*）

泄漏试验

"+:;<

操作时避免垫片损坏或过量屈服、蠕变的最大允许压缩试验

压缩蠕变试验垫片应力

表示垫片卸载回弹性能

压缩试验

室温测定

’$回弹模量（卸载正割模量）#%、

蠕变松弛

()

操作温度测定

轴向热膨胀系数

操作温度下蠕变松弛后残余垫片应力与装配时初

蠕变松弛试验

始垫片应力之比

垫片在操作温度和垫片应力下的热膨胀系数

膨胀试验

!$

&结语

和密封功能，使设计计算与其实际行为更加符合；另一方面由于考虑的因素较多，显然计算要比789!传统方法繁复得多，通过计算机编程后可以得到简捷的执行（国外已有计算软件）。然而，最困难的问题依然是确定垫片系数。此外，单纯提出的一个设计标准是不能够涵盖这一全部技术问题，需要建立一个包括设计、制造、试验、产品及检验等完整的标准体系，这也正是欧盟已在进行和即将推出的全部工作（表1）。因此，了解和熟悉!"$%&$是符合C!2的基本安全要素和欧盟压力容器规范的现代化要求，应对G(F挑战的再学习机会。欧盟局部标准，不仅表明标准化是一项极具科学性、综合性和复杂性的工作，也是国内工作引以为鉴和努力的目标。

!"$%&$是欧盟推出的第一个符合C!2要求的

崭新压力设备用法兰设计标准。欧洲标准协会（.!"）从该标准起草至正式执行整整花了近十年时间。目前.!"和欧盟压力设备研究委员会（!C!D.）还在对有些工作做进一步完善、研究和发展，例如确定各种类型垫片的垫片系数和垫片工作特性，协调!C!D.((E1与C#D.提出的DF((（垫片室温密封性试验）试验方法，以及修订45!"$+%%%等工作。本文对!"$%&$的基本思路和计算原理作了较为详细的介绍。从标准内容看一方面表明该方法比789!规范更全面地反映了法兰接头的机械特性?-?万方数据

第E8卷第$$期

表!

标准制订机构

项目

最早版本设计目的理论依据

垫片

力学模型

螺栓法兰垫片

材料模型

计算模型

螺栓法兰压力

计算载荷

热载荷外载荷基本假设计算结果

预紧力分散性垫片参数设计准则

基本参数垫片松弛与泄漏率关系试验方法垫片应力准则泄漏准则螺栓应力准则机械完整性准则

压力容器总第$!E期

"#$%&$与’()"*$的比较

"#$%&$4"#5+46790"#$%&$：$&:7年

验证各工况下的机械完整性和接头密封性。

（$&:7）+CD!E&8!5$!

压缩拉伸转动圆环

线性变化（与温度和最大载荷有关）线弹性（与温度有关）端部推力与径向压力轴向热膨胀差轴向力与外弯矩

考虑整个连接系统的弹性力平衡和变形协

调关系，因此能知晓包括装配和其后各工况下接头的行为。

’()"!*$+,-./0*1/023法

’()"

’()"!*$：$&78年

验证拟定工况下装配的许可性（$&!6）;,<30=，>/==?3@A，;3==<0,AB;@..@,A=力与变形无关系弯曲环板未赋特性

线弹性（与温度有关）端部推力不考虑

静定结构问题（仅基于已知作用力下的弹性

力平衡）。

计算方法

作用在螺栓上的力在所有工况下保持不变，各部件的力都随压力、温度和外力影响，而

发生改变。故不能预测各工况下接头的行为。不考虑!、"

不考虑无

基于减小面积的最小垫片力无准则

螺栓和法兰基于弹性准则

线性分散系数#A@F、#A,G、$%&’、()、*$、+8有考虑有

基于有效面积的最小垫片力可做泄漏计算螺栓最小伸长

螺栓、法兰和垫片基于塑性准则

法兰标准

4.,==标示90"#$6%&*$90"#$6%&*7

H#标示90"#$8&E*$"#$8&E*E90"#$8&E*!90"#$8&E*7

表7欧盟法兰接头的标准体系

垫片标准

螺栓标准

4.,==标示H#标示"#$E%I8*$"#$E%I8*E"#$E%I8*!"#$E%I8*7"#$E%I8*%90"#$E%I8*I90"#$E%I8*6

"#$%$7*$"#$%$7*E"#$%$7*!"#$%$7*7"#$%$7*%90"#$%$7*I90"#$%$7*6

"#$%$%*$90"#$%$%*E

法兰计算标准"#$%&$*$

垫片系数和

标准试验方法"#J$%&$*E90"#$!%%%

参考文献：

［$］&6&E!5"4，［(］（H"M），H03==K03"LK@9A3F<M@03N<@O3$&&&P［E］"#$!77%，［(］，QFR@03SH03==K03J3==3.=E88$P

［!］’()"T/@.30,FSH03==K03J3==3.4/S3，(3N<@/F!，M@O@=@/F

［，$(］$&&:P［7］MU#JE%8%，［(］4,.NK.,<@/F/R1.,F23SV/@F<=P$&I7P［%］H,-F3V>P#3WC,=X3<1,N</0*’H0/9/=3SH0/N3SK03［V］P

HJH*J/.P&:P#PY：’()"，$&:%PE$*!8P

［I］MU#E:8&8，［(］(<,<@N(3,.=R/01.,F234/FF3N<@/F=P$&&%P［6］"#$%&$*$，1.,F23=,FS+?3@0V/@F<*M3=@2F>K.3=R/0C,=Z

X3<3S4@0NK.,01.,F234/FF3N<@/F=*H,0<$：4,.NK.,<@/F［(］)3<?/SPE88$P

［:］"#J$%&$*E，1.,F23=,FS+?3@0V/@F<*M3=@2F>K.3=R/0

C,=X3<3S4@0NK.,01.,F234/FF3N<@/F=*H,0<E：C,=X3<H,0,AZ［(］3<30=PE88$P

（下转第7E页）

万方数据

?&?

<0%3+H+*<>’(6A’,H+*%钢加氢反应器的研制%AM+,HXA((+,,5

（!）焊接接头冷弯性能（见表"）

表#

试样种类取样位置焊缝冲击热影响区冲击

表面"#+表面"#+

表"

类型

试样尺寸（//）

焊缝金属冲击试验

（&，!$%’(#)）三个平均值!*!

+(,#(#+

("*#(-#+-.#+#++-!#+--焊接接头冷弯性能

0123

结果

一个最低值!!#

("##(.((#-#(*,+*"#+.++*##+*(

织、非金属夹杂物、抗回火脆化性能等各项指标，均满足设计技术条件要求。各项性能指标接近并部分达到日本制钢所同类材料的水平。

（+）产品焊接试板的力学性能、焊缝金属抗回火脆化性能，焊缝及内壁堆焊层的化学成分、无损检测等结果，均满足设计技术条件要求。

（5）+9+*<>’(6A’,9+*%钢在#,,B(+*,)范围内均可以锻造，且可锻性良好。热处理厚度达心部仍然保持良好力+!,//的锻件经调质处理后，学性能。

取样位置试验条件全截面表面根部

!$、(#,%!$、(#,%!$、(#,%

侧弯(,45,4+,,

面弯(,45#4+,,背弯(,45#4+,,

67890123合格67890123合格67890123合格

（*）焊缝金属回火脆性

!组试样分别经67890123及67890123:;9<后，根据不同温度下冲击试验结果绘出回火脆性转变曲线（图*、，从图中可求得：-）

=3>*!?’--9-)#’-*9()

!=3>*!?,)#,)

=3>*!:5!=3>*!?’--9-)#’-*9()@,)满足技术条件要求。

图-接管与筒节焊接试板回火脆性转变曲线

（!）合理选择奥氏体化温度和淬火冷却速度，对锻件能否获得良好的综合性能至关重要。

（*）要获得最佳抗回火脆性，制造过程中必须合理选控热处理温度和保温时间。

（-）没能更好地降低;7含量和保证钢材力学强度下的68含量，是&系数不能控制在更低值的主要原因。

收稿日期：+,,5’(,’+!

作者简介：梅丽华（("*"’），女，主要从事压力容器的制造、经营等工作，通讯地址：辽宁省大连市经济技术开发区九号小区中国第一重型机械集团公司经营本部。

图*封头与筒节焊接试板回火脆性转变曲线

*结论

（(）产品锻件的化学成分、力学性能、金相组

（上接第"页）

［"］CADDEF7/，GHIH，J6K>LFM，NHCH<HHOKDLFPQAKR78S<A8T

［;］（"）DPKPDH6FUEHV8SH，("!5，-*H

［(,］W>VX(5***，YMK8SFDK8R3EF7>&A78P’OKDLFP0K>K/FPF>D

K8R3FDP0>AUFRZ>FDCFMF=K8PPAPEFGFD7S8CZMFD[A>OKDT［;］LFPFR<7>UZMK>YMK8SF<A88FUP7A8D’("""’

收稿日期：+,,5’,.’((

作者简介：蔡仁良（("!(’），男，教授，博士生导师，主要从事过程装备、压力容器和管道的密封技术和强度分析方面的研究，通讯地址：上海市梅陇路(5,号，华东理工大学化工机械研究所。

万方数据?!+?