杨建良，杨湖

（无锡化工装备股份有限公司，江苏 无锡 214131）

尽管传统的法兰设计方法即Waters 法被大多数压力容器建造规范所引用，而且历经半个多世纪的工程实践也表明绝大多数按照该方法设计的法兰没有因强度问题而发生明显泄漏的情况。但是由于以下几方面的原因，少数按照传统方法设计的螺栓法兰接头发生了泄漏。

首先，传统的法兰设计方法仅考虑用垫片系数m和垫片密封比压力y来设计法兰，而m和y值是基于实践经验和某些试验得到的，缺乏理论依据。单纯的垫片系数和比压力不能够全面反映垫片的密封性能。

其次，传统的法兰设计无法确切得到法兰达到实际密封时所需的螺栓载荷。按其计算得到的螺栓载荷仅仅用于确定螺栓的规格大小和法兰的结构尺寸[1]。计算得到的螺栓载荷通常与安装时所需要的实际螺栓载荷不一致。压力容器的操作存在波动，螺栓载荷的不足或过大会导致在实际操作过程中螺栓法兰接头出现泄漏。

再次，尽管ASME 委员会在2007 年正式将法兰刚度计算引入规范强制性附录中，但是这一刚度准则是基于在设计和操作工况下用户的经验得到的，仅作为螺栓法兰接头设计和安装提供密封的一种保证，不能确保泄漏率在允许的范围内。

鉴于以上几方面原因，国际上的一些工程规范从ASME PCC-1 2010 版发布之后起就开始将其引入到工程实践中。API 660—2015 版更是将其收录其中，供工程公司和业主选用。此要求一旦被工程公司或业主选定，则在法兰设计中需要严格执行。

1 ASME PCC-1和WRC 538

ASME PCC-1 是美国机械工程师协会为确保压力容器中的螺栓法兰连接接头不出现泄漏失效而编写的指导性技术文件[2]，适用于带环形垫片的压力边界法兰接头，这些垫片完全在由螺栓孔围成的圆圈内，并且在圆圈外没有接触，即我们通常所说的窄面垫片。ASME PCC-1 目前的版本是2019 版。

ASME PCC-1 分为正文和附录两个部分。正文部分是对装配螺栓法兰接头的整个过程中所涉及的检查、校验、安装、拆卸等方面提出的具体要求。附录部分则是对正文内容的进一步补充，正文部分中所提及的检验、安装、拆卸等要求的合格指标则在附录部分详细说明[3]。ASME PCC-1 2019 版一共有17 个附录，其中附录O 是确定螺栓装配应力，对控制法兰泄漏，指导法兰设计有着重要意义。附录O 旨在为确定适当的装配螺栓应力提供指导，并适当考虑接头的完整性。

压力容器和管道中螺栓法兰连接处的泄漏常常是由于螺栓预紧不当或不充分造成的。ASME PCC-1附录O 在确保承压设备中螺栓法兰接头完整性方面迈出了一大步。经过相关研究人员若干年的努力，得到了确保密封可靠性相关方面的记录。这一目标的实现，得益于WRC 压力容器研究委员会组织的一项由Warren Brown 领导的研究。这一研究的目的是为了获取评估和支持ASME PCC-1 附录O 中所含程序所需的技术。

ASME PCC-1 附录O 用于确定压力边界接头装配螺栓荷载发展始于2005 年初，是Chevron 公司在管道接头上法兰过度变形（法兰旋转）现场经验的直接结果。该方法建立在Warren Brown 先前工作的基础上，在选择适当的装配螺栓载荷时考虑了适当的垫片应力极限。这项工作仅考虑了垫片和螺栓的限制，而忽略了法兰作为限制因素的可能性。尽管这种方法在大多数情况下都有效，但人们发现，在某些情况下，法兰会产生过度变形，从而引发一个问题，即整个接头（包括法兰）的适当极限应为多少。

这导致Warren Brown 在此之后进行了一系列研究，最终的研究成果形成了WRC 538 公报。

WRC 538 公报记录了ASME PCC-1 附录O“确定装配螺栓应力”方法的发展。它提供了方法开发过程中所引用到的参考文献，并提供额外的细节来帮助理解和发展该方法。

WRC 538 公报提供了历史发展文章的参考资料、解释了该方法的基础理论、如何应用ASME 规范公式来确定法兰极限的步骤指南，以及对其中提出的弹塑性有限元分析（FEA）方法的说明。

由此可见，在应用ASME PCC-1 附录O 设计法兰的同时，需要理解运用WRC 538 公报。这两者相辅相成，缺一不可。

2 ASME PCC-1 附录O 计算步骤

ASME PCC-1 附录O 提供了确定安装螺栓应力的两种计算方法： （1）简易方法。这种方法便于应用，但法兰连接的个别元件可能发生损坏；（2）较复杂的、基于连接各元件的完整性方法即接头元件法。

接头元件法充分考虑了法兰接头中各个元件的极限承载能力、保证密封需要的垫片应力、所有操作载荷和垫片松弛等情况，既能保证法兰结构的完整性，又能控制法兰接头密封性。但是运用接头元件法需要通过试验或者从垫片厂商处获得一些计算上所需的完整信息[4]。

鉴于工程设计中都是考虑完整的螺栓法兰接头，故下文仅叙述接头元件法的计算步骤。

按接头元件法确定安装螺栓应力分为8 个步骤，如下：

3 注意事项

执行ASME PCC-1 附录O 计算，有以下这些方面需要注意。

（1）最小允许螺栓应力值Sbmin取常温下的螺栓材料屈服强度的40%。

（2）最大允许螺栓应力值Sbmax取常温下的螺栓材料屈服强度的70%。

（3）安装垫片的应力取值按照API 660 表3。

（4）对于多管程的换热器，垫片面积的计算需要考虑垫片隔筋的面积。工程实践上的做法是至少考虑一半的垫片隔筋面积。

（5）对于管板两侧成对法兰的设计压力应考虑可能出现的最大压差，以此最大压差作为Pmax进行计算。

（6）管板两侧成对法兰的目标螺栓应力Sbsel值应是同一值。对于壳程侧的法兰，由于垫片没有隔筋，垫片面积要小于管程侧垫片的面积，容易造成设计人员对Sbsel取值不一样。

（7）确定步骤8 中法兰旋转极限的Sfmax值需要引用WRC 538 中的公式法，将螺栓的安装应力逐渐增加，直至按公式法修正后的法兰应力有一项超过公式法的合格指标为止；

（8）法兰达到旋转极限产生的偏转角θfmax可以按照法兰刚度计算公式确定；

（9）按WRC 538 计算修正后的法兰应力所用的弯矩要考虑全螺栓载荷；

（10）由于在高温操作条件下不锈钢法兰的屈服强度会明显降低，故在确定不锈钢法兰的旋转极限时应按屈服强度比值减小[5]，即S'fmax=Sfmax（Syo/Sya）；

（11）WRC 538 公式法确定法兰旋转极限只适用于带颈对焊法兰，其他型式的法兰需要采用弹塑性有限元分析方法来确定法兰旋转极限。

（12）只有外部法兰接头需要考虑ASME PCC-1附录O 计算[6]，对于浮头法兰并不适用。浮头法兰是否需要执行附录O 计算，需要与工程公司或业主提前确认。

4 结束语

考虑ASME PCC-1 附录O 计算是为了避免螺栓法兰接头出现泄漏。螺栓法兰接头必须达到螺栓安装应力水平，以提供足够的应力来固定垫片。安装垫片应力应足够大，最好能够达到垫片允许应力的上限，防止在操作条件下垫片出现应力松弛[7]。

执行ASME PCC-1 附录O 计算的法兰明显会比按规范[8]设计的法兰要笨重，螺栓明显要粗。压力容器的建造成本会比仅按规范设计法兰的成本要高。这就需要设计人员在项目开始阶段认真阅读项目规范，确定法兰设计是否需要考虑ASME PCC-1 附录O 计算，避免返工，重复劳动。

在项目招标阶段，工程技术人员要落实项目有无此要求，这影响到造价成本，避免造成一些不必要的损失。由于执行ASME PCC-1 附录O 的计算同时需要结合WRC 538，反复迭代，过程繁琐。而法兰旋转极限降低系数（Syo/Sya） ＜1.25φg[9-11]，φg取值为0.7，故笔者建议在招标阶段法兰的设计考虑采用法兰材料在设计温度下许用应力值的88%，从而弥补由于未考虑ASME PCC-1 附录O 计算所造成的损失。

此外，API 660 仅规定设备法兰的设计需要考虑ASME PCC-1 附录O 的计算，而对于延长部分兼做法兰的固定式管板和T 型浮动管板没有提及如何处理。基于上述同样原理，笔者建议降低这两种管板的许用应力，计算时考虑其设计温度下许用应力值的88%。