設備法蘭用焊接密封墊片設計

龍 杰，苗俊軍

（二重 （鎮(zhèn)江）重型裝備有限責任公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212114）

隨著我國石化產業(yè)的規(guī)模化、大型化發(fā)展，石化裝備也朝著高參數化方向發(fā)展。石化裝置中高溫、高壓設備的操作介質通常具有易燃、易爆、有毒特性，一旦泄漏將造成嚴重危害。因此，減少或避免介質泄漏是高參數化設備的設計核心。常規(guī)的法蘭和密封墊片形式已經難以滿足愈來愈苛刻的操作條件，而采用焊接密封元件進行密封是一種防止泄漏的有效方法[1]。

上世紀我國開始引進焊接密封墊片結構設備，經過多年運行，證明這種結構能夠滿足高溫、高壓密封要求，越來越多的化工設備上開始采用焊接密封墊片。常見焊接密封墊片結構見圖1[2]。圖1中DL為墊片受內壓部分最大直徑，dG1為墊片實際接觸面最大內徑，dG2為墊片實際接觸面最小外徑，d1為墊片內直徑、d2為與法蘭接觸面外徑、d3為受內壓部分最大外徑。

圖1 常用焊接密封墊片結構

目前國內關于焊接密封墊片的標準只有HG/T 20530—92《鋼制管法蘭用焊唇密封環(huán)》[3]，而國外的標準DIN 2695—2019《Diaphragm-weld Packings and Weld Ring Seals for Flange Connections》[4]中有完整的管法蘭用焊接密封墊片規(guī)格尺寸，但國內外均缺少大直徑、高壓力設備法蘭用焊接密封墊片尺寸參考標準，亦無經驗可以參考。

GB 150.3—2011《壓力容器第3部分：設計》[5]第7.5.1.5條指出，墊片在預緊狀態(tài)下受到最大螺栓載荷的作用，壓緊過度將失去密封性能。墊片應有足夠的寬度，其值可按經驗確定。文中通過分析預緊狀態(tài)下焊接密封墊片受力，總結出了墊片應力校核方法。通過核算DIN 2695—2019中管法蘭用焊唇式墊片受力情況，確定了墊片受力合格指標，并用實際工程應用的墊片來驗證合格指標的合理性。最終通過迭代計算，給出了不同公稱壓力、直徑下設備法蘭用焊唇式墊片尺寸參考值。

1 預緊狀態(tài)下墊片應力計算方法

1.1 墊片應力計算公式

參考 EN 13445.3—2014《Unfired Pressure Vessels—Part 3：Design》[6]G7.3 中對墊片應力的校核方法，簡化得出預緊狀態(tài)下墊片應力的計算公式：

式中，σg為墊片應力，Qmax為墊片最大抗壓強度，MPa[7]；Fg為墊片反作用力，N；AGt為墊片理論受壓面積，mm2。

Qmax值可參考 EN 13445.3—2014第 G.9條進行選取。如果墊片制造廠家能夠提供有效的墊片參數，則應采用墊片實際數據。

常用金屬墊片在常溫下的最大抗壓強度具體數值見表1[6]。

表1 常用金屬墊片常溫下最大抗壓強度 MPa

1.1.1 確定墊片反作用力

預緊狀態(tài)下墊片受到的反作用力Fg為所有螺栓的預緊力Wp，即Fg=Wp。對于焊接密封墊片法蘭而言，螺栓預緊力僅需抵消內壓產生的軸向應力[8]，即：

式中，Wp為螺栓預緊力，N；p為無墊片法蘭計算壓力，MPa。

為保證焊接密封墊片密封焊縫在實際使用過程中不承受拉力，需要提供1個比內壓軸向力略大的力[9]。按照HG/T 20582—2011《鋼制化工容器強度計算規(guī)定》[10]第 11.3.1條的規(guī)定，取Fg=Wp=1.1πDL2p/4。

1.1.2 確定墊片理論受壓面積

根據 EN 13445.3—2014第 G5.3.1條的規(guī)定，在滿足墊片受到較大的力且法蘭偏準角很小的情況下，墊片理論受壓面積AGt可以按照以下公式計算：

式中，dGt為墊片理論中心圓直徑，bGt為墊片理論寬度，mm。

預緊工況下墊片僅承受了較大的預緊力，法蘭只受到螺栓壓緊力，偏準角可以忽略不計。故有以下公式：

1.2 焊唇式密封墊片應力計算公式

焊唇式密封墊片尺寸見圖1c， 其 d1=dG1、d2=dG2+10 mm、d3=DL，綜合前述分析可得預緊狀態(tài)下焊唇式密封墊片應力計算公式為：

2 DIN 2695—2019中焊唇式密封墊片受力分析

國內外標準規(guī)范中涉及焊唇式密封墊片的內容較少，以DIN 2695—2019中的墊片尺寸較為完整。DIN 2695—2019中Class系列及PN系列部分焊唇式密封墊片規(guī)格分別見表2和表3。

表2 DIN 2695—2019中Class系列部分焊唇式密封墊片尺寸 mm

表3 DIN 2695—2019中PN系列部分焊唇式密封墊片尺寸 mm

文中以DIN 2695—2019第4.1.3條焊唇式密封墊片為例，按表 2、表 3 選取 d1、d2、d3，計算壓力取公稱壓力，計算得出了DIN 2695—2019中Class系列、PN系列部分焊唇式密封墊片預緊狀態(tài)下的應力σg，分別見表4和表5。

表 4 DIN 2695—2019中Class系列焊唇式密封墊片應力σg MPa

3 工程應用中墊片合格指標

3.1 增加抗壓強度安全系數

從表4、表5可以看出，墊片應力隨著法蘭公稱直徑、公稱壓力的增大而增大，但金屬墊片應力控制在一定范圍內，且均遠小于墊片材料的最大抗壓強度Qmax，僅使用式（1）來校核墊片難以符合工程實際使用現狀。

表5 DIN 2695—2019中PN系列焊唇式密封墊片應力σg MPa

設備在開停車時升降溫、升降壓速度過快，且開停車頻繁，在法蘭、螺栓及殼體間的溫差應力作用下，墊片受到應力的反復作用，最終在薄弱處開裂泄漏[11]。為避免密封失效帶來的泄漏危害，綜合考慮無墊片法蘭的建造安全性和經濟性，應盡量控制墊片寬度，同時保證墊片應力在合理可靠的范圍內。結合表4、表5中墊片應力計算情況，參考 ASME BPVC.Ⅱ.D.M—2019《ASME Boiler&Pressure Vessel Code Section Ⅱ：Materials Part D：Properties》[12]以及 TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》[13]中對抗拉強度安全系數的取值，對墊片抗壓強度增加了安全系數 2.4，即：

常用焊唇式密封墊片的材料一般為不銹鋼，表4、表5中數據均滿足σg≤Qmax/2.4=229 MPa。按式（6）迭代計算了不同公稱直徑、不同公稱壓力下設備法蘭用焊唇式密封墊片參考尺寸，見表6。

表6 不同公稱直徑及壓力下設備法蘭用焊唇式密封墊片尺寸

3.2 抗壓強度安全系數驗證

3.2.1 實例1

某公司渣油加氫裝置中氫氣/反應氣相熱交換器殼程側DN1 200 mm設備法蘭采用圓形空腔式焊接密封墊片，墊片材料為不銹鋼鍛件，p=20 MPa、dG1=1 200 mm、dG2=1 300 mm、DL=1 355 mm，按式（6）計算得出 σg=161.6 MPa＜229 MPa。

該熱交換器管程側設備法蘭采用隔膜密封盤式焊接密封墊片，墊片材料為不銹鋼，p=22.69 MPa、dG1=1 200 mm、dG2=1 300 mm、DL=1 300 mm，按式（6）計算得出 σg=168.7 MPa＜229 MPa。

3.2.2 實例2

某公司渣油加氫裝置中進料/反應氣相熱交換器殼程側DN1 500 mm設備法蘭采用圓形空腔式焊接密封墊片，墊片材料為不銹鋼鍛件，p=20.77 MPa、dG1=1 500 mm、dG2=1 600 mm、dL=1 655 mm，按式（6）計算得出 σg=201.8 MPa＜229 MPa。

該熱交換器管程側設備法蘭采用隔膜密封盤式焊接密封墊片，墊片材料為不銹鋼，其p=27.02 MPa、dG1=1 500 mm、dG2=DL=1 600 mm， 按式 （6） 計算得出σg=245.8 MPa＞229 MPa。

3.2.3 實例3

某公司柴油加氫裝置中反應產物/混氫油熱交換器殼程側DN1300 mm設備法蘭采用焊唇式焊接墊片，墊片材料為不銹鋼鍛件，其p=14.4 MPa、d1=1 320 mm、d2=1 400 mm、d3=1 430 mm， 按式（6）計算得出 σg=159 MPa＜229 MPa。

該熱交換器管程側設備法蘭采用隔膜密封盤式焊接密封墊片，墊片材料為不銹鋼，其p=12.6 MPa、dG1=1 350 mm、dG2=1 400 mm、DL=1 400 mm，按式（6）計算得出 σg=197.6 MPa＜229 MPa。

3.2.4 驗證結果

在實例1～實例3的6組墊片應力計算結果中，除1組墊片計算應力超過Qmax/2.4外，其余5組墊片計算應力均低于Qmax/2.4，且6組墊片應力均接近于Qmax/2.4。從這幾組工程實際使用焊接密封墊片校核結果看，文中所確定的抗壓強度安全系數較合理，能夠滿足實際工程使用要求。

4 設備法蘭用焊唇式密封墊片尺寸

根據式（6），迭代計算得出了不同公稱直徑、不同公稱壓力下設備法蘭用焊唇式密封墊片參考尺寸(表6)。墊片尺寸d3是在d2的基礎上相應加大30 mm，可根據實際結構進行略微調整。

對于圓形空腔式、卵形空腔式以及隔膜密封盤式墊片，墊片寬度尺寸可參考表6，并按文中介紹的計算方法重新校核計算，其余尺寸則應根據經驗或者按照文獻[14]重新進行應力分析設計。

5 結語

現行國內標準中缺少對焊接金屬密封墊片應力校核的規(guī)范性說明，文中引用EN 13445.3—2014中對墊片應力的校核方法，計算了國內外常用標準DIN 2695—2019中部分焊接金屬密封墊片的受力，確定了墊片應力校核標準。并以此為基準，通過迭代計算給出了設備法蘭用焊唇式密封墊片的規(guī)格尺寸，供壓力容器設計人員選用墊片時參考。焊接密封墊片使用環(huán)境較為苛刻，且壓力容器造價較為昂貴，設計者應綜合考慮，慎重確定墊片尺寸。