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1 美国压力容器研究委员会(PVRC)的研究计划和主要成果 1．1 概况 出于改进ASME规范全平面法兰连接设计规则的需要，应ASME的要求PVRC于1965年建立了螺 栓法兰连接(BFC)专业委员会。在过去的30多年里，PVRC针对解决垫片法兰接头的泄漏问题，承担 了主要研究项目，这些项目对深入了解螺栓法兰接头的泄漏行为以及修订ASME规范设计方法都起到 了重要的推动作用。迄今，PVRC已经做了许多与此相关的工作，包括修订ASME锅炉和压力容器规 范的法兰设计规则、制订有更明确意义的设计垫片系数、螺栓法兰接头的模拟分析、垫片密封性能的试 验研究(假肢安装包括高温性能)、垫片材料长期时效特性和耐火寿命的合格评定方法研究等。1990年，PVRC 提出五年研究计划，整个研究的目标是改进现有螺栓法兰接头的性能，提出高温和热循环下法兰连接 的设计方法，制订法兰设计和装配步骤的合格评定和试验方法。为了完成这些研究目标，BFC组织了 马蹄去皮机6个分委员会(BFC-99A-F)，分别从6个方面开展大量的研究工作：①垫片常数和试验方法。②现行 法兰设计和分析指导。③法兰额定参数。④法兰设计准则和模型。⑤垫片性能数据(包括高温)和方 法。⑥法兰装配和交互影响。该长期计划中涉及修订ASME规范和ASTM试验方法方面的工作是委员 会最优先考虑的任务。除了向ASME和ASTM分别提供PVRC垫片常数和垫片试验方法外，为了配合 这些工作，还开展了高温试验、外载荷作用下的法兰行为和制订垫片材料合格评定方法等研究项目。此 外，也致力与日本压力容器学会(JPVRC)和欧盟承压设备研究委员会(EPERC)开展国际合作，以协调 垫片试验方法和法兰设计规则。 由于五年计划的第一阶段的研究成果，对垫片性能已比5a前能更好地预测、定量和验证，所以现 在使用户和制造厂都能够按照研究所提出的试验方法，以更有明确意义的方法规定垫片的性能。通过 PVRC的这些开创性工作，提高了产品在市场上的竞争力。 在此基础上，1999年PVRC继续开始了五年研究计划第二阶段的研究，该阶段的目标包括形成和 制订安全与可靠的螺栓法兰连接设计的技术与方法；通过改进垫片选择和合格评定的方法，提高工厂 生产的可靠性和安全性，减少易挥发物的逸出水平；支持ASME和ASTM修订垫片标准和螺栓法兰设计 规则；通过对螺栓法兰接头性能的深入研究，推动今后提出1种性能更可靠、更有效和更节省成本的法 兰连接设计规则和重新评定标准法兰的简化方法。 由于PVRC进行了30多年的研究工作，因此取得了许多富有成效的成果：①提出具有全平面弹性 垫片的平面法兰的规范设计规则。②提出具有全平面垫片的矩形法兰和大直径BFC的近似设计方法。 ③研究法兰／螺栓／垫片系统的弹性交互作用，并根据影响系数提出改进紧固螺栓的方法。④使密封性 很好的垫片在室温下保持稳定泄漏特性。⑤测定柔性石墨板材的高温特性。⑥提出垫片耐火性合格评 定的试验方法。⑦提出螺栓法兰连接的垫片高温试验方法。⑧建立ASME新垫片系数表。⑨建立垫片 室温密封性试验(ROTT)数据库。⑩建立垫片材料性能的试验方法和评定标准。 1．2 垫片性能研究进展 1974年，PVRC和BFC开始探索性的垫片试验，目的是研究影响垫片密封性能的参数，包括ASME BPV规范的m和γ垫片系数。研究表明，垫片对泄漏率十分敏感，并与垫片材料、宽度、介质，尤其是预 载荷等有复杂关系，因此需要对垫片进行更全面的深入研究。于是在1979年，开始了垫片试验计划 Ⅱ。参加这一工作的有6个国家的30多个企业和组织。该计划旨在向ASME规范提供经过试验的新 的垫片系数和相应的标准试验方法，提供分析法兰连接的详细数据，还包括有关垫片文献的研究和工 业调查。垫片试验计划Ⅱ最终形成了PVRC“垫片室温密封性试验方法”(ROTT)和新的垫片常数(Cb、 a、Cs)，并且提供ASTMF3垫片委员会和ASTM特别工作小组具体情况研究修订规范和试验标准。 1983年，为了适应代替石棉垫片和对逸出及安全的更高要求的市场变化需要，组成了垫片试验和 高温接头性能分会。包括对垫片材料长期安全性、减少逸出量和保证耐火性等方面的评价。该计划得 到了20多个单位的赞助。 通过以上的研究工作，包括此前化学工业材料技术学会(MTI)所做的工作，已经提出了多项评价 各种垫片性能的技术。因此，迄今已经有了评定垫片性能(力学性能、密封性能及耐火性能)的标准方 法和程序。ASTM也正在根据PVRC／MTI的这些研究结果，考虑制订相应试验标准，其包括室温密封试 验(ROTT)、热态密封试验(HOTT和AHOT)、逸出热态密封试验(EHOT)、时效松弛泄漏粘着试验(AR- LA)、耐火模拟密封试验(FITT)、耐火模拟筛选试验(FIRS)和时效拉伸／松弛筛选试验(ATRS和HATR) 等。目前正在开展的的研究项目包括：①表面粗糙度对室温垫片密封性能和逸出性能的影响。②垫片 宽度和垫片直径对垫片密封性能、垫片常数和逸出的影响。③有约束的柔性石墨基垫片评定试验方法 (草案)。④PTFE基垫片材料的长期力学性能。⑤垫片蒸汽泄漏试验和弹性板垫片材料长期空气和蒸 汽筛选试验。⑥长期承压石墨垫片接头试验。⑦柔性石墨基垫片的长期性能。⑧时间对密封垫片泄漏 性能的影响。⑨垫片产品VPPM与质量泄漏率的关系。⑩氧化剂、流体类型和压力以及垫片应力的影 响。⑩与密封性和机械完整性有关的安全载荷极限。⑩缠绕垫片失稳的研究。 1．3 安全带插销法兰参数研究 液冷散热器 由于限制逸出的新法规和新的、更严密的垫片设计需要设计更好的法兰接头，需要更精确的规定 标准法兰的适用范围，特别是高温高压场合。1991年BFC建立法兰参数研究分会，目的是研究制订基 于PVRC新的垫片系数和法兰设计方法，使目前常用的标准法兰，如ASMEB16．5和B16．47标准法兰 的压力和温度使用范围与BFC长期研究计划得到的新的法兰规范设计方法相一致。这方面的主要研 究工作包括：①螺栓法兰接头的泄漏试验和NPS 24Class150ANSI标准法兰的泄漏试验(与PVRC垫片 常数预测泄漏率进行比较)，计划还对NPS16和10Class300进行试验。②外载荷影响垫片法兰接头密 封性能的实验研究(同时验证目前规范考虑外弯矩采用的当量压力法的有效性)，计划进行28组试验， 接近60％的试验已完成。目前正在开展的研究工作包括承受外弯矩作用的NPS 4 Class150、NPS 16 Class300、NPS1-1／2和铸铁工艺NPS8Class300／1500等法兰的实验研究，外弯矩作用下法兰接头的有限元分析和 法兰转角对密封性能影响的实验研究等。③承受高温或(和)高压的大直径法兰的研究。④缠绕垫片装 拆时的失稳研究。 1．4 法兰设计规范的改变 经过PVRC对垫片性能的长期研究工作之后，积累了大量的试验数据，尤其是从法兰设计的概念 上进行了变革，提出了基于泄漏准则的计算螺栓载荷方法。因此ASME成立了1个专门工作机构(Spe- cial Working Group On Bolted Flanged Joints，SWG OnBFJ)，正致力推行新的PVRC垫片常数，同时也对 ASME规范中的传统螺栓法兰设计规则进行修改。SWG计划颁布1个ASME-Ⅷ-1非规定附录BFC，与 原来的非规定附录2同时试行，直到取而代之。新附录的主要变化是： (1)将密封准则作为法兰设计基本准则之一，明确提出以密封度作为表征接头泄漏程度的衡量指标 (参数)，因此可将法兰设计要求按密封度级别区分，不同的密封度级别对应不同的最低泄漏率要求。 (2)密封度定义为使150mm(外径)环形垫片达到每s泄漏1mg氦气的介质压力。可以无因次量 纲表示为：Tp=(p/p*)(Lrm*／Lrm)1/2，式中，P为介质压力，MPa；P*为参考压力，取0．101 MPa；Lrm为质 量泄漏率，mg／s；Lrm*为单位质量泄漏率，对150mm外径垫片取1mg／s。 (3)按试验结果，密封度与作用在法兰密封面上垫片应力的关系如表示在lgTp-lgSg图上，按预载和卸载阶段分别呈线性关系，其规律可用a、Gs及Gb 这3个参数表征，而它们被赋为新的垫片系数。 (4)根据上述垫片系数可以通过计算确定达到指定密封度所需要的螺栓载荷。 (5)密封度等级按照介质的性质和重要性分成5个或以上的级别。 (6)计算出螺栓载荷以后，法兰的强度(完整性)要求仍按照ASMEⅧ-1附录2的方法进行。根据估 算，在一般的密封度要求下用新方法设计的法兰，其螺栓截面积和法兰力矩，在一定的标准法兰范围内， 比原来方法大20％-30％。但新方法可按不同的密封度要求，设计出不同的法兰或者改变垫片类型， 因此比原方法有更大的灵活性。 (7)新方法还考虑外载荷、换热器分程等情况。由于还存在较多不确定的因素以及与需要和国 外设计规范的沟通等原因，这一新方法的颁布一再被推迟，已发行的2001版ASME规范中又未出现。 2 欧洲承压设备研究委员会的研究活动 1995年成立的欧洲承压设备研究委员会(EPERC)在1997年根据工业调研的结果组建了5 个课题组(TechnicalTaskForces，TTFs)，其中TTF4为密封技术(Sealing Technology)。出于法兰和垫片标 准化的实际需要，课题组将确定各种类型垫片的垫片系数和工作特性，以及具有金属和金属接触法兰 的设计方法作为优选项目。前者是针对目前欧洲标准协会(CEN)提出的《法兰及其接头-垫片圆形法兰 连接设计规则》(prEN1591-1)没有垫片系数的数据，而作为向其提供垫片系数的prENV1591-2数据既不 完整，也不令人满意。因为prENV1591-2出自原东德标准〔TGL32903／13(1983)〕，数据来源不明，没有 试验方法。此外，这些垫片系数与密封度和温度无关，显然也不合理。因此该研究计划的任务是得到 各种型式法兰接头的垫片系数。第二项研究则是发展金属与金属接触型的法兰接头的计算方法、试验 方法和垫片系数，准备作为螺栓法兰接头完整性研究放在欧洲委员会的研究框架计划内。此外， EPERC也与PVRC和JPVRC开展合作，以协调ASME和EN在螺栓法兰规范设计方面的活动，包括 垫片系数和测试方法。TTF4在2000年11月又建立了螺栓法兰连接设计的有限元分析任务小组(Task group)，将目标定位在两维轴对称或三维弹塑性FEM模型的应用上。 3 新的欧盟法兰计算方法和系列标准 欧洲标准协会(CEN)下属法兰及其接头技术委员会(TC74)已经提出1个新的欧盟法兰计算方法， 即EN1591-1垫片圆形法兰连接的设计规则的第一部分—计算方法，按EN 1591-1方法进行计算 时，需要输入1组垫片的特性系数，所以又制订了ENV1591-2法兰及其接头-垫片圆形法兰连接的设 计规则的第二部分-垫片系数作补充。由于该标准缺乏充分的数据，不足以满足设计要求，而垫片 参数又与密封性之间没有定量关系，此外，温度对垫片系数的影响也未予反映。为此，CEN／TC74又制 订了1个新的欧盟标准(草案)prEN13555法兰及其接头-垫片圆形法兰连接设计规则用垫片系数和 试验方法，定义了EN1591-1中的垫片系数和垫片试验方法，并解决上述EN1591-2存在的缺陷。新的 垫片系数见表1。除了欧盟法兰设计标准、垫片系数和标准试验方法外，欧盟还提出了相应的法兰、螺 栓和垫片尺寸标准，形成了一整套法兰接头的标准体系。 表1 prEN13555垫片系数 垫片系数 定 义 目 的 试验项目 装配Qmin(L) 最小装配垫片应力 达到最佳预紧状态 泄漏试验 Qmax 最大装配垫片应力 避免垫片破损和 压缩试验 过度变形 Qsmin(L) 最小操作垫片应力 达到允许泄漏率 泄漏试验 操作Qmix 最大操作垫片应力 避免垫片破损和 蠕变试验 过度松弛 Ec 垫片回弹模量 计算螺栓和垫片 压缩试验 载荷变化 Ec 垫片操作残余压缩量 确定垫片松弛程度 蠕变松弛试验 表2 欧盟法兰接头的标准体系 法兰标准 垫片标准 ______________________ ________________________ 螺栓标准 法兰计算标准 垫片系数和标准试验方法 Class标示 PN跨栏架标准 PN标示 Class标示 prEN 1759-1 prEN 1092-1 EN 12560-1 EN 1514-1 EN 1515-1 EN 1591-1 ENV 1591-2 prEN 1759-4 prEN 1092-2 EN 12560-2 EN 1514-2 prEN 1515-2 prEN 13555 prEN 1092-4 EN 12560-3 EN 1514-3 EN 12560-4 EN 1514-4 prEN 12560-6 prEN 1514-6 prEN 12560-7 prEN 1514-7 4 结语 压力容器和管道用螺栓法兰接头设计不仅是强度，还包括密封问题，后者要比前者复杂得多，而两 者都涉及到密封元件，特别是垫片的性能及其设计参数。因此，北美、欧洲为此进行了大量全面并持久 不懈的研究和开发工作，其中最卓越的成果，除了应用新的垫片系数外，将密封度概念或密封性准则引 入到设计规则中，并与标准化工作相结合，这是对传统设计规范和标准化工作的极大挑战。目前，他们 正在利用这一经历数十年工作取得的成果修改规范计算方法，开发垫片系数的数据库，建立统一的系列 标准，而国内在这一方面尚有较大差距。因此，文中介绍的PVRC、EPERC和CEN等对此及由此引出的 许多正在进行的重要研究课题，值得国内有关部门在制订相关研究规划、设计规范和试验标准时参考 和研究，以尽快缩短和国际先进水平的差距。 | ||
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