RCC-M与ASME法兰计算方法应用对比分析

白菲菲

(中广核工程有限公司，广东 深圳 518172)

RCC-M与ASME法兰计算方法应用对比分析

白菲菲

(中广核工程有限公司，广东 深圳 518172)

法兰结构是核电厂设备中常用的连接形式之一，法兰连接的失效会直接影响到安全性、经济效益、环境及能源消耗等方面。整体法兰设计RCC-M和ASME的计算基本原理相同，但在计算细节上又存在着差异。螺栓法兰连接设计需要兼顾垫片、螺栓和法兰三者的匹配。本文从垫片设计计算、螺栓设计计算和法兰设计计算3个方面，对RCC-M的法兰设计计算方法进行分析，同时与ASME法兰设计计算方法的共同点和差别点进行了对比分析。

RCC-M;ASME;法兰;垫片;螺栓

RCC-M是在ASME规范第3卷基础上，吸收了大量在法国核工业发展实践中积累的经验和成果而制定出来的，2个规范之间有很多相似和相通之处；但是，经过一些年的发展后，RCC-M与ASME标准产生了一些不同[1]。其中，在整体窄面型法兰的设计计算方法方面，RCC-M是考虑到内压力及施加于垫片的紧固力的作用情况下来确定法兰及螺栓紧固件尺寸，而ASME的计算均采用Waters法进行设计。RCC-M的法兰设计计算方法相对于ASME在计算细节上也存在着差异。本文将从垫片设计、螺栓设计和法兰应力计算3个方面，对RCC-M的法兰设计计算方法进行分析，同时与ASME的法兰设计方法进行对比分析。

1 垫片设计计算

垫片设计是整个法兰连接设计的基础，根据给定的使用工况(流体介质、温度和压力)及要求的密封级别等对垫片进行选定。垫片主要受2个力，即压紧密封垫所需最小压紧力Fj和在工作条件下保证在流体介质压力作用下的垫片密封所需紧固力FM。

1.1 压紧密封垫座所需最小压紧力

设备在承受压力前，需要给垫片施加最小压紧力。在RCC-M的法兰设计中，最小压紧力由供应商提供，并没有给出具体的计算方法。在ASME的法兰设计中，给出了最小压紧力的具体计算公式：

Fj=3.14Djby

(1)

式中，Dj是垫片压紧力作用中心圆直径；b是垫片有效密封宽度；y是垫片比压力。

在采用RCC-M计算垫片的最小压紧力时，如果已知垫片的比压力y，可采用式1进行计算。

1.2 保证流体介质压力作用下的垫片密封所需紧固力

FM是为保持密封垫片在设计、运行及试验条件下密封所需要的最小压紧力。在RCC-M的法兰设计中，FM由垫片供应商提供，并没有给出具体的计算方法；而在ASME的法兰设计中给出了FM的具体计算公式：

FM=2πDjbmp

(2)

式中，p是相应工况下的压力；m是垫片系数。

在采用RCC-M计算垫片在操作工况下的最小压紧力时，如果已知垫片系数m，可采用式2进行计算。

1.3 螺栓预紧力

要确定在设备有内压的条件下保证密封的螺栓紧固力需要确定2个力，即FM和FF。在设备有内压的情况下，FF为法兰在内压作用下使法兰趋于分开的力，在该力的计算方法上，RCC-M和ASME的基本思想一致，而在内压的处理方面，RCC-M将法兰所受的外载荷(弯矩和轴向力)的等效压力Peq作为内压的一部分，RCC-M中该力的计算公式为：

(3)

ASME中的计算公式仅有内压力P。

设备在有内压力的条件下法兰所需要的最小螺栓载荷为：

FS=FM+FF

(4)

其中，设备有内压的条件包括设计工况、运行工况和试验工况。

在RCC-M的法兰设计中，螺栓的预紧力FSi在最小压紧力Fj以及设计工况、运行工况和试验工况下保证密封所需力FS取大值，同时要求预紧力提供足够的摩擦力来抵消在横向力和扭矩作用下法兰产生的相对位移，以及温差和密封垫片松弛引起的预紧力变化。在ASME中，螺栓的预紧力由最小压紧力Fj和设计工况下的螺栓载荷FS值来确定。

2 螺栓最小截面积

在RCC-M的法兰设计中，没有给出如何确定螺栓所需的最小截面积，而给出了螺栓在设计、运行和试验工况下至少应该满足的最小截面积校核评定准则。在ASME的法兰设计中，螺栓所需的最小截面积是由螺栓预紧力及相应温度下螺栓的许用应力比值来确定。在RCC-M的法兰设计中没有给出类似ASME中螺栓最小截面积的计算公式，实际上，ASME中的螺栓最小截面积的计算公式为螺栓面积确定的最基本公式，即RCC-M的螺栓最小截面积计算方法可以采用ASME中的方法，但同时需要满足螺栓的最小截面积在设计、运行和试验工况下的校核准则。

3 法兰应力计算

法兰应力的是在法兰承受内压和为保证其密封而施加在密封垫圈上的紧固力的合成载荷。计算中，应分别考虑设备没有承受内压时的法兰预紧状态和在设备承受内压的法兰状态，来确定法兰所受力矩，取其大值进行应力计算。

3.1 法兰预紧状态

法兰预紧状态所考虑的螺栓载荷应有一定裕量，以防过分拧紧螺栓而损伤法兰，在这一点上，RCC-M和ASME的考虑是相同的；但是具体处理方法却有差别。在RCC-M中，法兰应力计算中的螺栓载荷为：

(5)

式中，SA是螺栓所需最小截面积；SB是螺栓实际截面积。

在ASME中：

(6)

式中，S是螺栓常温下的许用应力。MA是法兰预紧状态下的力矩。

3.2 设备承受内压的法兰状态

RCC-M相对于ASME,还应考虑外部载荷引起的等效压力Peq，可求出相应的HD′和HT′。在法兰密封垫片上的压缩力HG的处理上，RCC-M中为：

(7)

在ASME中，HG由设计工况下的螺栓载荷FSi与HT和HD的差值来确定。

法兰3部分载荷所产生的力矩分别为MD、MT和MG，总力矩MO为3部分力矩之和。

3.3 法兰应力的确定和校核

法兰应力计算所用的力矩M′取MA和MO的大值，但在RCC-M中，M′还需要乘以一个最小值为1的螺栓间距影响修正系数。

法兰所受应力主要有3个关键应力：法兰盘与法兰颈部接头处的径向应力SR、法兰盘内部的切向应力ST和法兰颈外表面的纵向应力SH。在3个值的确定方面，RCC-M与ASME的计算方法基本相同，而在RCC-M中，计算法兰颈外表面的纵向应力SH值时，增加了法兰内部静压力所产生的薄膜应力。

在法兰应力评定方面，RCC-M中的法兰应力需要在设计、运行及试验工况下分别进行校核评定，而ASME没有分工况讨论，其校核条件与RCC-M的设计工况校核条件相同。

4 结语

RCC-M规范与ASME规范在整体窄面型法兰设计计算的思路基本一致， 但是在具体细节上存在着差异。从本文的分析可以看出，RCC-M的法兰计算相对于ASME有以下特点：1)部分计算未给出具体的计算方法，仅提出要求，需要使用者补充相关内容；2)考虑的更加全面，如增加了外部载荷的考虑、法兰工作状态下由横向力和扭矩作用下产生位移的摩擦力影响以及温差和密封垫片松弛的影响等；3)除了考虑预紧工况和设计工况，还有运行工况和试验工况。

[1] 孙晓芳.设备制造中ASME与RCC-M规范的区别[J].一重技术，2010(4):70-72.

责任编辑李思文

ComparativeAnalysisofFlangeDesignMethodintheRCC-MCodeandASMECode

BAI Feifei

(China Nuclear Power Engineering Co., Ltd., Shenzhen 518172, China)

Flange structure is the most common connecting way, fail of flange connection can affect security, economic value, environment, and energy consumption. RCC—M code and Annex of ASME code have the same basic calculation principle in nuclear equipment integral flange, but there are some differences in details. Connection design needs involve gasket, bolt and flange. The paper analyzes design method in the RCC—M Annex ZV code and compares the differences with the design method in ASME.

RCC—M, ASME, flange, gasket, bolt

TE 969

：A

白菲菲(1982-)，女，工程师，主要从事核电站辅助设备设计等方面的研究。

2014-10-23