工程設(shè)計(jì)階段法蘭泄漏分析及校核

，

(中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

法蘭作為一種連接件，在石化、石油等工程以及氣、水等市政設(shè)施中必不可少，且常大量應(yīng)用于不同管道、管道與設(shè)備、管道與儀表、管道與閥門及管道與其他管道元件之間的連接。在運(yùn)行過程中，若因法蘭出現(xiàn)泄漏而造成管道內(nèi)介質(zhì)外泄，不僅會產(chǎn)生流體或能量損耗，而且會影響正常的生產(chǎn)和效率。特別是在石油石化領(lǐng)域，由于管道內(nèi)介質(zhì)大都具有腐蝕性，甚至部分介質(zhì)還具有易燃易爆和毒性，這些管線的法蘭一旦出現(xiàn)泄漏，不僅會影響正常生產(chǎn)，而且泄漏的介質(zhì)會污染環(huán)境，嚴(yán)重情況下會停車，造成重大經(jīng)濟(jì)損失，甚至發(fā)生爆炸。所以，為防止法蘭在運(yùn)行過程中出現(xiàn)泄漏或潛在性損壞，法蘭泄漏應(yīng)該作為一個重要問題得到重視。本文分析了法蘭泄漏的原因，并對工程設(shè)計(jì)階段法蘭泄漏的校核方法、原理及選擇進(jìn)行了研究。

1 法蘭泄漏原因分析

一般情況下，通過螺栓緊固對法蘭施加預(yù)緊力，使墊片產(chǎn)生彈塑性變形，將變形后的墊片填充到法蘭密封面的水線之間，從而阻止管道內(nèi)介質(zhì)出現(xiàn)向外流動，來實(shí)現(xiàn)法蘭密封。法蘭泄漏除了和墊片材質(zhì)、性能有關(guān)外，還受法蘭密封面的結(jié)構(gòu)形式、法蘭剛性、安裝水平及操作工況等諸多因素的影響。

法蘭泄漏通常分為兩種：界面泄漏和滲透泄漏。界面泄漏是指流體介質(zhì)通過法蘭與墊片之間的接觸面的流動，也稱為密封面的泄漏；滲透泄漏是指當(dāng)法蘭之間的墊片為纖維制成的非金屬墊片時，流體介質(zhì)通過纖維間的細(xì)小間隙流動。通過這兩種泄漏方式，石油石化等裝置中常常會出現(xiàn)流體介質(zhì)跑、冒、滴和漏的現(xiàn)象。通常情況下，界面泄漏比滲透泄漏對閥門、管道、儀表和設(shè)備等產(chǎn)生的危害更大。所以，現(xiàn)在的密封技術(shù)大多是防止法蘭產(chǎn)生界面泄漏。

2 法蘭泄漏校核方法

法蘭泄漏的校核方法有基于當(dāng)量壓力的Kellogg Equivalent Pressure Method和NC-3658.3公式法[1-3]、基于操作工況和墊片安放工況的ASME BPVC規(guī)范Ⅷ-1卷法等校核方法、基于泄漏率準(zhǔn)則的PVRC法和基于整個法蘭、墊片、螺栓聯(lián)接接頭的系統(tǒng)特性的EN1591法。

上述校核方法采用了不同的作用機(jī)理，當(dāng)量壓力法將法蘭面上的軸向力和彎矩轉(zhuǎn)化為當(dāng)量壓力，然后將其與操作壓力之和與法蘭最大許用工作壓力比較；ASME BPVC規(guī)范Ⅷ-1卷法則是考慮了法蘭面靜壓荷載和墊片壓緊力，是按照操作和預(yù)緊墊片兩種設(shè)計(jì)條件進(jìn)行計(jì)算，并選取較苛刻的條件進(jìn)行設(shè)計(jì)[4]。

以ASME為代表的新方法PVRC，是基于華脫斯法，引入緊密性參數(shù)，用來評價法蘭接頭是否密封安全。由于對其中墊片系數(shù)數(shù)據(jù)的可靠性和可重復(fù)性存在爭論，此法尚未被ASME采用。以EN為代表的新方法EN1591，是基于德國標(biāo)準(zhǔn)DIN2505法，考慮了整個法蘭、墊片螺栓連接接頭的系統(tǒng)特性，對法蘭進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)和密封性設(shè)計(jì)計(jì)算，已被歐盟壓力容器建造標(biāo)準(zhǔn)EN13445采用。但是，此法考慮的因素較多，計(jì)算過程復(fù)雜，目前為止，其應(yīng)用和使用的經(jīng)驗(yàn)還很少[5]。

下面就工程實(shí)際中常用的校核方法進(jìn)行說明和模擬分析。

2.1 Kellogg Equivalent Pressure Method校核方法

Kellogg Equivalent Pressure Method(以下簡稱Peq法)法蘭校核方法是基于當(dāng)量壓力法的一種，也稱為等效壓力法，是將法蘭上承受的力和力矩被認(rèn)為是等效作用到墊片上，然后與法蘭的最大許用工作壓力比較。

Peq法校核計(jì)算公式為：

Peq=16M/πG3+4F/πG2+PD=壓力等級

(1)

其中，Peq為當(dāng)量壓力(用于校核法蘭等級)；M為作用在法蘭上的彎矩；G為墊片的有效工作直徑；F為作用到法蘭上的軸向力；PD為設(shè)計(jì)壓力。

2.2 NC-3658.3公式校核方法

NC-3658.3公式法來源于ASME BPVC Section 3 Subsection NC-3658.3，也是基于當(dāng)量壓力法，此方法是將法蘭上承受的力和力矩、扭矩等等效作用到螺栓上，然后與法蘭的最大許用工作壓力比較。但是應(yīng)用此方法需要滿足下面兩個條件：①法蘭、螺栓和墊片符合ASME B16.5a的要求；②螺栓材質(zhì)為38℃下許用應(yīng)力≥138MPa(g)的高強(qiáng)度螺栓。

NC-3658.3公式為：

S=248.22×Mfs/(CAb×21.6)

=Min(Sy，248.22)non-Occ Load Case

(2)

S=248.22×Mfd/(CAb×21.6)

=2.0×Min(Sy，248.22)Occ Load Case

(3)

其中，S為法蘭應(yīng)力；Mfs為在非偶然工況下，彎曲或者扭轉(zhuǎn)兩者作用在法蘭上較大的彎矩；Mfd為在偶然工況下，彎曲或者扭轉(zhuǎn)兩者作用在法蘭上較大的彎矩；Sy為設(shè)計(jì)溫度下，法蘭的屈服強(qiáng)度；C為螺栓孔直徑；Ab為所有螺栓橫截面積之和。

因?yàn)镻eq法相對于NC-3658.3公式法，從校核計(jì)算公式上比較直觀，易于理解，同時計(jì)算結(jié)果具有一定的保守性，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)如GB/T20801和HG/T20645等均傾向于采用此方法進(jìn)行法蘭泄漏校核。

2.3 ASME BPVC規(guī)范Ⅷ-1卷法

此法是將墊片(材料、型式及尺寸)、密封面、螺栓、法蘭頸的比例、法蘭寬度與厚度的選擇等均考慮到設(shè)計(jì)中，根據(jù)操作工況和預(yù)緊工況中起決定作用時的一種工況，法蘭的應(yīng)力按照下列公式計(jì)算。

法蘭具有頸部時，其頸部縱向應(yīng)力：

(4)

法蘭徑向應(yīng)力：

(5)

法蘭切向應(yīng)力：

(6)

法蘭無頸部或者有頸部，但不考慮頸部時：

(7)

3 建立分析模型

本文設(shè)計(jì)的模型為一段獨(dú)立管系，管道布置及其與設(shè)備的連接見圖1。模型采用CAESERⅡ軟件作為建模、分析及法蘭泄漏校核工具，設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

圖1 分析模型

表1 模型分析設(shè)計(jì)參數(shù)

圖1管道模型中管道的長度見表2。其中，E1、E2為2個換熱器設(shè)備，E1/A和E2/B為與設(shè)備管口相連接法蘭的焊接面，距離b點(diǎn)3 500mm處設(shè)置彈簧支撐，其中，a、b、c、d均為彎頭中心點(diǎn)。

表2 管道模型長度參數(shù)

4 模型分析

(1)采用FRQ法和NC-3658.3公式法分別對模型中法蘭進(jìn)行校核，結(jié)果見表3、表4。

表3 采用FRQ法校核法蘭泄漏結(jié)果

表4 采用NC-3658.3公式法校核法蘭泄漏結(jié)果

(2)增加管道柔性時校核法蘭泄漏。在原模型的基礎(chǔ)上將a-b長度和c-d長度由3 000mm加長至5 000mm后，增加了管道柔性，采用FRQ法和NC-3 658.3公式法分別對模型中法蘭泄漏進(jìn)行校核分析，結(jié)果見表5、表6。

表5 采用FRQ法校核法蘭泄漏結(jié)果

表6 采用NC-3658.3公式法校核法蘭泄漏結(jié)果

(3)在原模型的基礎(chǔ)上將法蘭等級由150LB提高至300LB(磅)后，提高了法蘭等級，采用FRQ法和NC-3 658.3公式法分別對模型中法蘭泄漏進(jìn)行校核分析，結(jié)果見表7、表8。

表7 采用FRQ法校核法蘭泄漏結(jié)果

表8 采用NC-3 658.3公式法校核法蘭泄漏結(jié)果

(4)采用ASME BPVC規(guī)范Ⅷ-1卷法對模擬模型進(jìn)行法蘭校核，計(jì)算及分析結(jié)果見表9、表10。

表9 采用ASME BPVC規(guī)范Ⅷ-1卷法的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果 kPa

續(xù)表

表10 采用ASME BPVC規(guī)范Ⅷ-1卷法的法蘭泄漏校核結(jié)果

5 結(jié)果分析

(1)由表1與表2、表3和表4、表5和表6對比可知，在相同工況下，采用NC-3658.3公式法校核法蘭泄漏得到的應(yīng)力結(jié)果要小于FRQ法校核的應(yīng)力結(jié)果，即采用NC-3658.3公式法更容易滿足法蘭校核要求，而FRQ法的結(jié)果偏于保守。

(2)由表1與表3、表2與表4對比可知，管道柔性增加后，作用于E1/A和E2/B上的彎矩均減小，同時當(dāng)量壓力或法蘭應(yīng)力也相應(yīng)減小，降低了法蘭泄漏的風(fēng)險。

(3)由表1和表5、表2和表6對比可知，提高法蘭等級后，螺栓孔直徑和螺栓面積增大，當(dāng)量壓力不變的情況下，許用壓應(yīng)力相應(yīng)增加，增加了法蘭抗泄漏性能。

(4)由表7和表8對比可知，采用ASME BPVC規(guī)范Ⅷ-1卷法，考慮了墊片、密封面等因素，能夠清晰地顯示在操作工況和墊片安放工況下，法蘭頸部縱向、法蘭徑向、法蘭切向和螺栓處等各個具體作用點(diǎn)的校核結(jié)果。

6 結(jié)語

在實(shí)際工程設(shè)計(jì)過程中，F(xiàn)RQ操作方法較NC-3658.3公式法簡便，NC-3658.3公式法較ASME BPVC規(guī)范Ⅷ-1卷法簡便。但是FRQ法較NC-3658.3公式法校核結(jié)果偏于保守，采用ASME BPVC規(guī)范Ⅷ-1卷法需要對墊片(材料、型式及尺寸)、密封面、螺栓、法蘭頸的比例、法蘭寬度與厚度等參數(shù)進(jìn)行選擇，過程繁多，綜合校核效果和操作過程，通常采用NC-3658.3公式法校核法蘭泄漏。

對于輸送高溫、高壓、劇毒等重要的介質(zhì)及存在劇烈循環(huán)振動，或與動設(shè)備連接等重要工況的管線法蘭，建議采用ASME BPVC規(guī)范Ⅷ-1卷法校核，此法考慮了墊片、密封面等因素，校核結(jié)果更接近實(shí)際工況，同時能夠顯示法蘭頸部縱向、法蘭徑向、法蘭切向和螺栓處等各個具體作用點(diǎn)的安全性能。

若采用上述方法后的法蘭均不能校核通過，則需要增加管道柔性。若法蘭恰巧處于易變形且無法調(diào)整的位置，同時管道柔性很難降低等諸多常規(guī)方法無法解決的情況下，可以將此處法蘭的等級提高一個磅級，增加法蘭許用壓應(yīng)力。