（1）Taylor-Waters 法是用于非标法兰的强度设 EN 1. 的第 11 章（基于 Taylor 法）的第一句话
计方法。
就将 Taylor 法限定在承受内压和外压法兰的设计范
ASME 和 EN 压力容器和压力管道规范在采用 围内。用户如要考虑热循环、控制泄漏或法兰还承受
Taylor-Waters 法时都强调：标准法兰（EN-PN 系列、 其他附加载荷时，应采用该标准附录 G 提供的另一
漏 ) 失效。
III 卷核动力装置 NC,ND,MC 分篇（不包括 III-NB）
（）没有区分设计和实际安装、使用这两个不同 等 锅 炉 压 力 容 器 规 范、ASME B1 压 力 管 道 规范，
的工况条件，从而应采取两种不同的评估方法及判据。 以 及 EN 1.“ 压 力 容 器 —— 设 计 ” 第 11 章 都
或转角判据。
设 关键词：Taylor-Waters法；非标法兰强度校核；最大螺栓预紧力；法兰承载能力评估 备 中图分类号：TQ 00.；TH 1 文献标识码：A 文章编号：100-1(01)0-0001-011
W 与 法兰接头是压力设备和管道中最常用的可拆卸 WW 管 连接形式。同时，法兰接头又是压力元件中最复杂的、 . 道 且至今工程界和学术界尚无明确定论的、还在探索、 tc 》 研究之中的热点课题。其复杂性在于下列几个方面： e （1）涉及法兰、垫片、紧固件等多个元件以及 d 安装预紧、试验、使用等过程。其中，各个元件相互 .c 影响、互为因果，而且非金属垫片材料又因涉及非弹 om 性行为及其应力松弛，故使问题更为复杂。
ASME-Class 系列）都无须进行法兰应力计算校核， 方法（即 EN 11-1 方法）。
01 年 1 月
应道宴，等 . 螺栓法兰接头安全密封技术（三）——法兰的设计选用及其承载能力评估
··
在 ASME B&PV Code 和 EN 1. 第 11 章中 仅仅是用来确定需要的最小螺栓截面积之用（相应的
第 卷第 期 01 年 1 月
·综述·
化 工 设 备 与 管 道 PROCESS EQUIPMENT & PIPING
Vol. No. Dec. 01
螺栓法兰接头安全密封技术（三）
——法兰的设计选用及其承载能力评估
应道宴1，蔡暖姝1，蔡仁良2
（1. 全国化工设备设计技术中心站，上海 0000；. 华东理工大学机械和动力工程学院，上海 00）
主要的差别在于法兰及螺栓的安全系数，按相应的锅 炉、容器或管道规范的安全系数取值不同而有所不 同。详见表 1 所示。
化工 项目
方法
设 适用对象 备 目的
设计载荷条件
W 与 法兰材料安全系数 WW 管 螺栓材料安全系数 .t 道 外力，弯矩
表1 Taylor-Waters公式用于非标法兰设计[3-6]
（）法兰接头承受的载荷，不仅有压力引起的 载荷，还包括安装时的预紧载荷、外力和外弯矩、温
（螺栓）预紧力该如何确定？ 产生这些疑问的原因在于： （1）国内至今未开展对法兰接头泄漏控制的相
度及温差载荷等多种不确定性载荷。
关研究，技术界、学术界的认识多数还停留在七十多
本文仅就法兰本体的承压强度及其承载能力的
ASME B&PV Code VIII-1 卷 UG11(a) 还 规 定， 标准法兰如采用附录 （即 Taylor-Waters 法）核算，
了防止塑性垮塌的“弹性应力分析方法（..）”、“极 也可采用比法兰标准规定的更高的压力 - 温度额定
限载荷法（..）”以及“弹塑性应力分析方法（..）” 值。而标准法兰结构尺寸及其压力 - 温度额定值与
（）EN 1.“压力容器——设计”第 11 章 Taylor-Waters 法设计和计算的法兰是依据两个互不
法兰中列入了 Taylor-Waters 法，而在 EN 1. 的 相关的规则确定的，两者之间不存在关联性。因此，
附录 G 中还列入法兰设计的另一方法。EN 1. Taylor-Waters 法是非标法兰的设计计算方法，并不适
都规定了采用 Taylor-Waters 法设计计算时的工况，
即当法兰 - 垫片 - 紧固件结构尺寸（除法兰厚度外）
《 初步选定后，只有流体压力是唯一的设计载荷，从而： 化 ①由压力 P 以及表列的 m、y 和 b 值计算得到
W m1（设计压力工况）和 W m（满足垫片预紧要求而
工 设立的前提条件），取两者中大者为 Wm，用以求取 设 所需的螺栓总截面积；
年前的 Taylor 法时代。同时，对 ASME B&PV Code
评估进行分析，关于垫片、紧固件及其安装方法等将 的理解和应用也欠全面，片面理解 Taylor-Waters 计
在本刊系列文章中另行阐述。
算方法及其相关设计参数的意义及目的。
1 法兰设计、选用中的问题
工程界对于法兰可谓是既十分熟悉，又十分困 惑。标准法兰（PN 系列和 Class 系列管法兰 [1]、JB 设备法兰）以及 Taylor-Waters 法兰计算方法 [-] 是从
Taylor-Waters 法的应力校核规则。
栓预紧力应大于设计值；
（）Taylor-Waters 法是以法兰设计压力 - 温度及
②考虑到法兰转角、垫片松弛、螺栓伸长等因素，
表列垫片参数 m、y 和 b 为设计条件的计算方法。
实际螺栓预紧力提高至设计值的 1. 倍以上是必要的
ASME B&PV Code III 附 录 IX、VIII-1、VIII- （ASME B&PV III 附录 XII 1100（d），（e））；
ASME Ⅷ-1
ASME B1.，ASME III附录XII
EN 1.-11，ASME Ⅷ-（第章）
Taylor-Waters公式
非标法兰设计
确定螺栓面积和法兰环厚度
由表列m，y及有效宽度b，确定预紧及操作工况所需设计螺栓载荷；
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
设计压力、设计温度
nb=.，ns=1.，nts=1.
因此，当采用 Taylor-Waters 法来进行非标法兰 设计计算时，必须注意：设计螺栓力与实际安装螺栓 力是两个不同的概念。前者源自规范规定的设计条 件及表列垫片参数，并与规范规定的安全系数配合， 用于法兰的强度校核。后者是用于实际安装，以控制 法兰接头泄漏为目标。
如前文所述，Taylor-Waters 法中所列出的垫片 参数 m 、y 和 b 源自 0 年前，一无实验基础，二无 泄漏率概念，而且非金属密封材料还停留在石棉橡 胶板为主，柔性石墨、聚四氟乙烯等材料尚未成为 主流密封材料。目前，美、欧、日各国的垫片密封 参数测定方法对非金属或半金属垫片的密封参数的
强调，Taylor-Waters 公式主要是用于确定或校核法兰 所需的螺栓截面积和法兰环厚度。因为法兰的其他
螺栓安全系数 ns= 或 ）。 （）实际螺栓预紧力基于下列几方面考虑，必
结构尺寸主要由其他规则确定，而螺栓截面积和法 须大于“设计螺栓力”。
兰环厚度这两个与法兰承压强度的主要参数应符合
①水压试验压力大于设计压力。因此，实际螺
（）国内工程界仅将法兰视作一个独立的承压 元件，只考虑其强度失效，而未考虑另一个更贴近实
收稿日期：01-0-1 作者简介：应道宴（1—），男，上海人，教授级高工。主要
从事压力容器、压力管道、材料与标准化工作。
··
化 工 设 备 与 管 道
第 卷第 期
际的法兰失效模式——刚度 ( 变形 ) 引起的密封 ( 泄 VIII-1 卷，包括 ASME B&PV Code VIII- 卷第 篇、
还把法兰和螺栓的设计应力区分为几种不同的工况， 用于标准法兰。
除安装、操作设计工况外，还包括试验和其他工况，
（）Taylor-Waters 法是用于确定螺栓面积和法
且相应的安全系数取值亦不同，详见本文 .（1）。
兰环厚度的强度计算方法。
2.2 Taylor-Waters法
首 先，Taylor-Waters 法 是 一 种 强 度 设 计 方 法，
2 Taylor-Waters法
将 Taylor-Waters 公式作为非标法兰的设计方法。我 国 GB 10、日本 JIS 等标准也同样将 Taylor-Waters
2.1 压力设备规范中Taylor-Waters螺栓法兰设计法
法列为螺栓法兰的设计方法。不同规范采用 Taylor-
Taylor-Waters 法 是 美 国 Taylor Forge 公 司 与 Waters[] 在 1 年提出的螺栓法兰设计方法，因被
②由上述 Wm 及压力 P，求取计算法兰环应力的
备 弯矩 M，用以校核法兰环的厚度。 与 因此，Taylor-Waters 法不是孤立的一组法兰应 W 力计算顺序和公式。法兰强度核算过程中，用作校 W 管 核法兰应力的弯矩 M 和相应的轴向、切向和径向应 W. 道 力值，来源于设计条件和有关垫片性能参数 m、y 和 t b ，应力核算通过与否又与规范设定的许用应力判据 ce 》 密切相关。所以，设计压力条件和垫片参数（m，y，b）、 d Taylor-Waters 法计算顺序和公式，以及许用应力判据 . （安全系数及其倍率）这三者是前后关联，自成系统 co 的非标法兰强度计算方法。 m 2.3 Taylor-Waters法不能反映法兰接头的密封要求
Waters 法设计法兰时，其应力计算方法（公式），引 用的垫片参数 m，y，有效密封宽度 b 等基本一致，
ASME B&PV Code VIII-1 卷 列 入 附 录 作 为 非 标 法兰设计计算方法，成为被世人熟知、奉为经典的
《 法 兰 设 计 方 法。 至 今， 不 仅 是 ASME B&PV Code
事压力设备设计人员常用的法兰标准和设计规范，但 在应用这些标准、规范时还存在诸多疑惑，概括起来 大致有下列几个方面：