SW6法兰计算中颈部小端厚度g0的争议

（学习笔记，若有误，请指正。另，本文仅讨论长高颈法兰）

对于设备法兰颈部小端厚度与对接筒体或接管不等厚的情况，在SW6的法兰强度校核或计算中“颈部小端厚度g0”的取值似乎有些争议。下面我们就来捋一捋。

第一种情况，若是标准的法兰（即材质、尺寸、垫片及紧固件选用等完全依照标准），g0就是法兰标准（如NB/T47023）上的锥颈小端厚度δ1。即使需要按NB/T47020之6.5.1对法兰直边段进行削薄，以及按6.5.2要求调整法兰总高H后削薄直边段，g0同样是δ1。若将g0输为筒体或接管厚度就有可能造成重复设计了。原因如下：

首先，这要从法兰中的应力分布特点说起，对于带颈或不带颈整体法兰、带颈活套法兰所需校核的三项应力分别为：最大值可能出现于锥颈大端或小端的轴向弯曲应力（通常在法兰设计中起控制作用），法兰环上的径向弯曲应力，法兰环上的周向弯曲应力。（参见文献[1]第8章，及文献[2]）

控制锥颈处的最大弯曲应力，可以通过调整锥颈大小端厚度，锥段长度等实现，见GB/T150.3之式7-16。

法兰标准NB/T47023中的法兰所允许的对接筒体最小厚度δ0小于锥颈小端厚度δ1，通常需要将法兰直边段（直边段长度H-h-δ）削薄（部分削薄）来实现筒体与法兰的对接。这个被削薄的直边段同样可视为一个锥段，为了与法兰锥颈区分，叫它“锥段2”。

δ1就是锥段2的大端的厚度，锥段2的小端厚度也就是δ0。如GB/T150.3图7-7所示，在δ1、δ0既定的情况下，可以通过调整锥段2的高度h’控制f≈1，使得锥段2小端的轴向弯曲应力不大于锥段2的大端，即保证被削薄部分的应力不大于锥段2大端处的轴向弯曲应力。（见参考文献[2]、[3]的分析）

所以说，未经计算，标准上的直边段长度不可以缩短，但可以加长。

其次，再来稍微讨论一下这个系数f，f的定义是法兰颈部小端应力与大端应力的比较。f>1表示最大值位于小端，f=1表最大值位于大端，若f<1，f取1。

计算表明，若f=1，即轴向弯曲应力最大值σH位于锥颈大端，此时增加锥颈小端厚度，σH反而会变大。这可以从外载作用下的载荷分配原理来解释，增加小端的厚度会增加锥段的刚度，其承载比例变大。（可参考文献[4]的分析）

但锥颈上的这个轴向弯曲应力由结构不连续和变形协调引起，在由锥颈进入直边段及对接筒体之后开始衰减，见文献[5]的第七章，P239的法兰应力图谱，需要注意的是该图叠加了内压引起的薄膜应力。

所以，这个刚度增加导致承载比例增大，和局部应力衰减需要综合考虑。

第二种情况，采用NB/47020表6和表7所列之外的材料，如不锈钢，参照NB47023的结构尺寸进行法兰设计，这可以减少设计工作量，结构尺寸靠近通用的标准法兰，也能保证设计合理性。

现有一换热器的管箱法兰，想用不锈钢材质，将PN在设计压力的基础上往上跳两档在标准中选取，加大法兰环厚度，其他尺寸不变， g0取标准中的δ1,强度计算就能通过。

若g0取筒体厚度δ0(该值小于δ1)，则相当距锥颈大端h处的小端厚度为δ0，小于实际值，强度计算也是不通过的。若再加大法兰环厚度，其他尺寸不变，g0取δ0，计算可以通过，此时可以直接将筒体接在锥颈小端，这相当于H-h-δ白设了，同样是重复设计了。

所以说，若将锥颈看作一个直角梯形，法兰锥颈大端厚度、小端厚度、锥颈长度三者则分别为下底、上底和高。

第三种情况，如果仅按GB/T150.3的第7部分（即ASME VIII-1的MandatoryAppendix 2），进行非标法兰设计。g0应为法兰小端厚度δ1和对接筒体或接管壁厚δ0的较小值，即g0=min(δ1,δ0)。

这点与前两种情况不同。简单地说，原因在于标准已经通过计算（见文献[3]）给出了满足强度要求的直边段长度，而如果是自己设计的法兰，直接将g0取为min(δ1, δ0)，可以免于考虑δ1和δ0 之间的过渡问题。

通常来说，法兰小端厚度δ1都大于筒体壁厚δ0，因为如果焊接时削薄筒体，在筒体壁厚余量不多的情况下，容易出现筒体被削弱的部分强度不足。对于这种δ1>δ0的情况，g0取δ0，筒体可以直接与锥颈小端连接，若要设直边段，只需保证直边段厚度不小于δ0即可，直边段无需进行强度计算。

需要指出的是，标准中要求直边段≥1.5δ0（见GB/T150.3图7-1）并不是从强度出发。

与GB/T150语焉不详，让大家猜不同，ASME VIII-1 MandatoryAppendix 2的2-3 NOTATION直接指出：

第四，需要特别注意的是，法兰颈部厚度（直边段厚度）应满足内压作用下的强度要求，尤其是法兰的许用应力低于对接筒体或接管的许用应力的情况。上述Appendix 2在2-1 SCOPE中特别强调了这点，上面写道：The hub thickness of weld neck flangesdesigned to this Appendix shall also comply with the minimum thicknessrequirements in Subsection A of this Division.GB/T150没有像ASME那样特别指出这点，容易被大家忽视。

参考文献

[1] 丁伯民.ASME VIII压力容器规范分析.北京:化学工业出版社,2014

[2] 桑如苞.压力容器法兰设计中的若干问题,化工设备设计,1987,(2)

[3] 桑如苞.关于压力容器法兰标准若干问题的建议,化工设备设计,1997,34

[4] 桑如苞.压力容器法兰的合理设计原理与方法,化工设备设计,1987,(2)

[5] 谢铁军,等.压力容器应力分布图谱.北京:北京科学技术出版社,1994