摘 要 介绍了法兰连接设计方法的发展历程，将目前最完善的欧盟垫片标准体系与国标进行了对比，根据对比结果发现国标的一些不足之处，对改进设计方法和完善垫片标准提出了若干建议，以供国内研究人员参考。
关键词 法兰连接 设计方法 垫片标准
螺栓法兰连接广泛用于化工、炼油等行业的压力容器和管道中[1]，该连接结构受操作工况下介质压力、温度及管系产生的附加弯矩、附加轴向力等载荷的作用，易发生泄漏[2]，导致密封失效，这不仅会造成能源浪费、环境污染，还可能酿成灾难性事故。如：2016年，某石化公司在检修后的开工过程中进料过滤器法兰泄漏着火，因处理及时未造成人员伤亡；2013年，海南一肉类加工公司液氮储罐法兰口垫片老化造成泄漏，当地紧急疏散群众400余人。保证螺栓法兰接头的密封性能对于设备的长期正常使用和人员安全有着重要作用，而形式、结构、性能复杂的垫片则是控制泄漏的关键部件。因此，法兰连接设计方法和相关的垫片技术要求越来越被重视[3]。
1 法兰连接设计方法进展
对于法兰接头的设计、计算方法，最常用的是Waters法(华脱斯法)。该方法主要以垫片的性能参数m、y来确定垫片反力，以此为载荷对法兰和螺栓进行应力校核计算。由于其计算模型极其简化，能对复杂的法兰连接进行初步的设计计算，自20世纪30年代提出以来，被各国的压力容器标准普遍采纳，如ASME规范、我国的GB/T 150及日本的JIS B8270等。但这种传统的法兰设计方法仅对法兰连接件进行了强度校核，而法兰接头的泄漏、密封还与垫片本身的密封性能有很大关联[4]。为解决此问题，美国压力容器研究委员会(PVRC)进行了一系列有关法兰垫片性能参数的研究，并在1989年提出了一个基于泄漏率准则的螺栓法兰连接接头设计新方法[5]。该方法提出了新的垫片系数Gb、a、Gs，并引入了紧密度等级TP的概念，尽管能反映出垫片在预紧时的密封能力，但这些系数与法兰连接的密封性并没有明确的定量关系，因而最终未被广泛采用。
欧洲标准化协会法兰及其接头委员会(CEN/TC)吸收了部分PVRC的研究成果并采纳了德国标准DIN 2505的设计思想，于1994年发布了法兰计算的新标准草案prEN 1591-1《法兰及其接头-带垫片圆形法兰连接设计规则——第1部分：计算方法》(2001年成为欧盟正式执行标准，以下简称EN 1591)[6]。相对于传统方法，EN 1591全面考虑了螺栓法兰连接系统的机械特性，不仅进行强度校核，更进行了密封性计算，使设计计算结果与实际情况更为贴切。但是，由于考虑的因素较多，使其计算颇为复杂，且垫片系数很难确定[7]。
2 欧盟与国内垫片标准的比较
如上所述，目前使用最为广泛的法兰连接设计方法为Waters法和欧盟EN 1591方法，我国现阶段的法兰设计主要是Waters法。两种计算方法均各自规定了垫片的设计参数，用于设计计算螺栓法兰接头。现从下面几个方面对欧盟EN1591和国内垫片标准进行比较。
2.1 标准体系比较
2.1.1 EN垫片系列标准
CEN/TC分别于1997年、2001年启用了垫片尺寸标准EN 1514、EN 12560，2004年颁布了垫片参数测试标准EN 13555，2005年颁布了垫片质量标准EN 14772。这些标准与EN 1591组成了一个完整、规范的垫片标准体系(图1)。
图1 EN垫片标准体系
该标准体系中，EN 1591-1设计计算方法所需的垫片特性参数由ENV 1591-2《法兰及其接头-带垫片圆形法兰连接设计规则——第2部分：垫片参数》给出[8]。EN 1591的这两部分被直接收录于EN 13445-3《无燃烧压力容器——第3部分：设计》，作为其附录G[9]。由于ENV 1591-2中的垫片参数没有给出具体的试验方法，与泄漏率也没有关联，受温度的影响情况亦不明确，因此CEN/TC在1999年提出了草案prEN 13555，该草案在2004年成为正式执行标准，即EN 13555《法兰及其接头-带垫片圆形法兰连接设计规则所需垫片参数及其试验方法》[10]。该标准按照EN 1591-1规定了垫片和密封材料的设计参数，并提供了能检验ENV 1591-2相关参数的试验程序，建立了在EN 1591-1标准下可用的设计公式。
2.1.2 Waters法(国标)垫片系列标准
Waters法自提出以来已被许多国家采用，我国现行标准GB/T 150也采用的是Waters法，螺栓法兰接头设计、计算所需的重要垫片特性参数m、y根据使用经验确定(GB/T 150-3《压力容器——第3部分：设计》表7-2中给出了常用材料对应的推荐值[11])。国内在20世纪末对垫片标准进行了大量的修订和更新，制定了多个相关的垫片标准。但相比已经十分完整、规范的EN垫片标准体系，国内的标准还有不足[12,13]，尤其在垫片标准体系建设方面有待加强。
2.2 垫片性能要求、参数、质量标准比较
自石棉垫片逐步禁用或限制后，许多新的垫片材料和结构开始迅速得以应用，这对垫片性能和垫片参数测试方法的研究提出了更深入的要求[14]，相关的垫片标准也在不断地修订、更新。
2.2.1 垫片性能标准
一个完整垫片标准体系应能准确反映出垫片在操作工况下的密封性能，并对螺栓法兰接头进行设计、计算，需要能反映垫片性能的垫片特性参数，在EN垫片标准体系中，这些垫片参数均由EN 13555通过标准化试验得到。国内标准的垫片特性参数仅一部分是由标准化试验所得，如：GB/T 12385《管法兰用垫片密封性能试验方法》[15]，GB/T 12621《管法兰垫片应力松弛试验方法》[16]，GB/T 12622《管法兰用垫片压缩率和回弹率试验方法》[17]；而最重要垫片特性参数m、y则是根据使用经验确定(GB 150给出了推荐值)，计算的精确性难以保证，工程实际中常常选择保留非常大的安全余量来解决这一问题。表1和表2列出EN 13555与国标的垫片参数定义和确定方法。
表1 EN 13555与国标的垫片参数定义
(续表1)
表2 EN 13555与国标的垫片参数确定方法
2.2.2 垫片尺寸标准
CEN分别于1997年启用了EN 1514《法兰及其接头-PN标示法兰的垫片尺寸》[18]，2001年启用了EN 12560《法兰及其接头-CLASS标示法兰的垫片尺寸》[19]，欧盟制定的垫片尺寸标准均以两个平行的系列展开，即以PN和CLASS分别标示的系列，此后又不断进行增订，几乎囊括了所有常用垫片类型。国内的垫片尺寸标准根据使用习惯，一部分类型的垫片将尺寸按PN系列和CLASS系列分别编排，其余类型垫片的尺寸标准并未分别编排；全国化工设备设计技术中心站联合有关部门在2009年发布了新的化工行业规范HG/T 20592-20635《钢制管法兰、垫片、紧固件》，该规范参照欧美先进标准并结合国内实际情况修订而成，包括了国际通用的两大管法兰、垫片和紧固件标准系列：PN系列和CLASS系列[20]。表3为欧盟、国标和化工行业标准的垫片尺寸标准。
表3 欧盟、国标和化工行业标准的垫片尺寸标准
2.2.3 垫片质量标准
垫片标准的制定与发展的最终目的是指导实际应用，一个完善的标准体系不仅要有理论研究的深度，也需要顾及用户选用的广度。为此，CEN于2003年通过了草案prEN 14772《法兰及其接头-EN 1514和EN 12560系列标准相应的垫片的质量保证检查和试验》(该草案于2005年成为欧盟正式执行标准)[21]，该标准囊括了EN 1514和EN 12560中的相关要求，介绍了垫片组成材料的重要特性并列举了一些简单、可靠的试验方法供制造商使用。目前，国内还没有制定出成体系的垫片质量标准，各个类型垫片的技术条件标准虽然能大致满足尺寸、制造和技术性能要求，但对制造商的限制太大，不利于垫片使用的推广。以非金属平垫片为例，国内相应的质量标准为GB/T 9129《管法兰用非金属平垫片-技术条件》[22]，表4为EN 14772与GB/T 9129的主要质量保证检查和试验方法。
表4 非金属平垫片的主要质量保证检查和试验方法
3 完善国内垫片标准的建议
近年来，国内的垫片标准经过修订，不断增加材料品种和性能指标要求，扩大了标准的适用范围，初步形成了一个比较规范的垫片标准系列。但通过与欧盟体系的比较，不难发现国内标准还存在一些问题：沿用使用已久的Waters计算方法，其垫片参数m、y与密封介质和泄漏率无关，且无法通过标准试验进行确定，难以在新材料、结构的垫片产品中推广使用；相关标准不够完善，即有的试验标准测定方法单一，垫片产品的性能数据不够完善，导致各制造商的产品良莠不齐。因此，建议组织相关的委员会进行有关试验研究，根据我国国情，改进传统的垫片参数，使之与泄漏率相关联，并完善试验方法；参照欧盟标准，尽快完善配套的垫片制造、质量检验和用户选用一体化的相关标准，提高国内密封企业技术水平。
