“历史地看待”法兰刚度系数

NB/T47023等容器法兰的刚度指数J是个让人比较纠结的问题。若作为换热器的管箱法兰，在用SW6进行计算时，经常会碰到法兰刚度系数J接近或大于1的情况，尤其是在DN、PN或设计温度较小的时候。

以DN1200，PN1.6，16Mn锻件制，FM密封面，配缠绕垫，40MnB螺柱，的标准NB/T47023长颈对焊法兰为例，其中在-20~200℃间，最大允许工作压力为1.6MPa。

但计算表明，在0.1MPa，65℃工况下，且不考虑腐蚀余量C₂，虽然其四个应力指标合格且有余量，刚度系数J已达0.919。

若考虑腐蚀余量C₂=3，即计算时内径输为1200+2倍C₂=1206，颈部大小端厚度输为标准值减C₂，其四个应力指标仍然合格，但J=1.27>1，SW6程序提示法兰环厚度应至少为80，远大于标准值64。

需要指出的是，对于操作载荷较小、法兰设计力矩M_o取决于螺栓预紧力的法兰，设计温度越小，其M_o反而越大，J也就越大，见GB/T150.3的式7-15。

尺寸较小的标准容器法兰，刚度都比较小，都可能存在按现行法兰设计方法，校核不通过的问题。这是有“历史原因”的。

ASME VIII-1是在2004版中提出了法兰刚度系数J这一单独的指标，作为Waters法兰设计方法的补充[1]。GB/T150也是在2011版才借鉴ASMEVIII-1引入法兰刚度系数J，此前的98版GB150是没有的。但NB/T47023等容器法兰最早的一版标准发布于1990年。

虽然Waters法没有单独的法兰刚度指标，但Waters法通过对法兰五项应力的全面控制，对于较大的锥颈厚度，法兰刚度是有保证的，这也得到了长期实践的证明[1]。

也就是说，长期的使用经验证明，Waters法是行之有效的，、NB系列标准容器法兰也是安全可靠的[2]。

ASME VIII-1强制性附录2中的2-14指出，“Successful service experience may be used as an alternative to the flange rigidity rules forfluid services that are nonlethal and nonflammable and designed within thetemperature range of −20°F (−29°C) to 366°F (186°C) without exceeding design pressuresof 150psi (1035kPa) .”即对危害性不大的介质，在操作温度和压力不高的情况下，若有成功的实践经验，可以不考虑刚度系数J。

ASME VIII-1这样“有所保留”的规定，个人认为，要比GB/T150.3的7.1.1，“一刀切”地规定NB系列容器法兰可免除计算，要来得科学和严谨。

最后，个人的操作建议：

1. 对于介质具有危害性等重要场合，标准法兰也应进行校核，并保证腐蚀前、腐蚀后法兰的应力及刚度系数合格，并留出裕量。

2. 对于介质危害性小等要求不高的场合，若法兰校核不通过，可援引GB/T150.3之7.1.1这一“豁免条款”，选用“严格意义上的标准法兰”，即包括紧固件及垫片材料等完全依照标准确定，并且不存在除内外压、螺栓预紧力之外的其它载荷。或者选用PN等级较高的标准法兰。

参考文献

[1] 桑如苞. 美国ASME法兰设计刚度计算方法分析.石油化工设计, 2009,(1)

[2] 冯清晓, 桑如苞. 修正的Waters法兰设计方法与ASME法兰设计刚度计算法的分析比较. 石油化工设备技术, 2010, 31(3)

其实，之前我们讨论过类似的问题，见《严守法兰的标准底线，审慎对待计算免除》