運用ASME法進(jìn)行法蘭泄漏分析

崔艷紅,冉慶富，王 乾

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

法蘭連接的管道在生產(chǎn)中較為常見，在使用過程中，由于所連接的管道或設(shè)備產(chǎn)生的外力和力矩可能會導(dǎo)致泄漏，泄漏一旦發(fā)生，輕則浪費原料并污染環(huán)境，重則可能產(chǎn)生爆炸。文章結(jié)合法蘭密封的原理和影響泄漏的因素分析法蘭泄漏的原因，采用ASME B&PVC規(guī)范Ⅷ-1中的法蘭泄漏分析，通過CAESARⅡ軟件對法蘭泄漏進(jìn)行校核，以提供抑制法蘭泄漏的方法。

1 法蘭密封泄漏

生產(chǎn)中在螺栓上施加扭矩后，法蘭密封面與墊片之間會產(chǎn)生壓緊力，使墊片表面產(chǎn)生變形則可以填充法蘭密封面的微觀間隙，堵塞了法蘭連接面的泄漏通道，當(dāng)介質(zhì)通過密封面的阻力大于法蘭密封面內(nèi)外的壓差時，泄漏通道被阻斷，實現(xiàn)了法蘭連接面的密封。

由于法蘭連接泄漏是由法蘭密封不足導(dǎo)致，因此，分析法蘭密封原理和法蘭泄漏發(fā)生原因，對于防止法蘭泄漏的發(fā)生具有較大的現(xiàn)實意義。

1.1 法蘭泄漏的原因

法蘭連接處的密封主要是通過螺栓預(yù)緊力、墊片柔性填補(bǔ)等進(jìn)行實現(xiàn)，在工程實踐中，認(rèn)為管道連接法蘭泄漏的主要原因通常有以下幾個方面[1]：

由于法蘭、螺栓和墊片質(zhì)量問題及腐蝕造成泄漏；由于長期處于壓力狀態(tài)，墊片會發(fā)生老化導(dǎo)致回彈力下降等造成泄漏；由于管道發(fā)生振動或發(fā)生變形，導(dǎo)致螺栓可能發(fā)生松動，出現(xiàn)泄漏；由于管道介質(zhì)溫度較高或較低，在溫差效應(yīng)下產(chǎn)生熱膨脹等，造成法蘭連接螺栓長度伸長或變形，導(dǎo)致泄漏；安裝時出現(xiàn)壓力偏差，螺栓松緊不一，法蘭對中偏移，會導(dǎo)致管道在運行狀態(tài)下發(fā)生泄漏。

綜合分析可以發(fā)現(xiàn)，法蘭泄漏的根本原因在于法蘭本身性能、螺栓性能和墊片性能，同時管道受到外力會發(fā)生變化及安裝精度也將影響法蘭泄漏。

法蘭連接處一旦發(fā)生泄漏將對整個工業(yè)安全生產(chǎn)產(chǎn)生影響，因此避免發(fā)生泄漏是非常必要的，尤其對于石油天然氣等易燃、易爆和有毒的氣體和液體更是如此。

1.2 法蘭泄漏形式

法蘭連接處的泄漏主要有兩種形式：滲透泄漏和界面泄漏(示意圖如圖1)。滲透泄漏是通過墊片本身存在的微小泄漏間隙進(jìn)行泄漏；界面泄漏是通過法蘭與密封墊片之間的接觸面間的微小泄漏通道進(jìn)行泄漏[3]。

圖1 泄漏形式示意圖Fig.1 Diagram of leakage form

滲透泄漏是指通過密封墊片的泄漏，一般與介質(zhì)的工作壓力有關(guān)，壓力與泄漏量成正比關(guān)系。另外還與密封材料的性質(zhì)和介質(zhì)的物理特性有關(guān)。通常粘性較大的介質(zhì)發(fā)生滲透泄漏的可能性較小，主要是由于粘性大的介質(zhì)產(chǎn)生的阻力較大，流動性相對較差，不易在有微小間隙的密封面處發(fā)生滲透。

界面泄漏是指通過密封面間的泄漏形式，是法蘭連接面泄漏的主要途徑。在生產(chǎn)過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)螺栓在擰緊時發(fā)生伸長變形的情況，同樣擰緊力不足、法蘭密封面光潔度不夠、管線振動等也會導(dǎo)致密封面的密合度不足。

1.3 墊片對法蘭密封的影響

墊片的壓縮性和回彈性是法蘭密封的必要條件。墊片在長期使用過程中也會出現(xiàn)材料變質(zhì)、老化現(xiàn)象，引起塑性變形，導(dǎo)致回彈力降低等問題，造成墊片密封面與法蘭密封面密合不嚴(yán)而發(fā)生泄漏，可見墊片的性能也是產(chǎn)生界面泄漏的原因。墊片的變形包括彈性變形和塑性變形。彈性變形產(chǎn)生的回彈性將填補(bǔ)因內(nèi)壓等因素引起的相連法蘭面的分離，達(dá)到連續(xù)接觸密封的作用。塑性變形將為法蘭面的粗糙不平提供必要的補(bǔ)償，填補(bǔ)不平度帶來的泄漏間隙。

2 基于CAESARⅡ的法蘭密封泄漏分析原理

文章介紹基于軟件CAESARⅡ中的法蘭泄漏校核的主要方法，意在為后面軟件計算模擬分析提供理論指導(dǎo)。在軟件中可采用當(dāng)量壓力法，NC3658.3法和ASME B&PVC規(guī)范Ⅷ-1卷附錄2法三種方法，以下通過理論分析，著重介紹ASME B&PVC規(guī)范Ⅷ-1卷附錄2法在軟件中的使用，通過分析以了解其科學(xué)性和合理性，為實際模型的分析做好前期準(zhǔn)備。最終，將這些理論與實際的應(yīng)用相結(jié)合，為實際的工程實踐應(yīng)用提供幫助。

2.1 當(dāng)量壓力法(Peq法)簡介

當(dāng)量壓力法是進(jìn)行法蘭一般性泄漏校核的主要方法之一。此方法認(rèn)為所有的外部載荷作用于墊片上，根據(jù)力學(xué)關(guān)系推導(dǎo)將法蘭端面處承受的軸向力與彎矩等外載荷轉(zhuǎn)換為當(dāng)量壓力值，再將當(dāng)量壓力值與設(shè)計壓力值相加，以得到作用在法蘭上的總壓力，最后將總壓力與ASME B16.5標(biāo)準(zhǔn)中的法蘭材料相關(guān)的溫度壓力表格中的許用壓力進(jìn)行對比。理論上認(rèn)為，當(dāng)總壓力小于標(biāo)準(zhǔn)中給定的許用壓力時，就不會泄漏；否則，將會發(fā)生泄漏。

2.2 NC 3658.3方法簡介

NC3658.3法又稱為最大屈服強(qiáng)度法，是ASME B&PVC-Ⅲ中的方法，此方法認(rèn)為管道介質(zhì)內(nèi)壓和由管道受外力變形所產(chǎn)生的力矩均作用在螺栓上，當(dāng)螺栓發(fā)生變形甚至破壞時，法蘭連接處將發(fā)生泄漏。同樣認(rèn)為，法蘭在不同條件下計算出的屈服強(qiáng)度應(yīng)小于該材料的法蘭相應(yīng)條件下的許用屈服強(qiáng)度，此時法蘭不會發(fā)生泄漏。

2.3 ASME B&PVC規(guī)范Ⅷ-1卷附錄2法分析原理

此方法是ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范卷Ⅷ-1[2]中的方法，它應(yīng)用在帶墊片的螺栓法蘭和法蘭連接件的設(shè)計規(guī)則中，在分析法蘭連接受力情況時，考慮法蘭端部靜壓載荷和墊片壓緊力。分為許用應(yīng)力校核和法蘭剛度校核。

(1)許用應(yīng)力校核。

此方法是通過對法蘭連接在兩種工況(操作工況和預(yù)緊工況)下的受力情況進(jìn)行分析，確定起決定作用的一種工況，然后根據(jù)以下公式組(式(1)計算出其頸部縱向應(yīng)力SH、法蘭徑向應(yīng)力SR、法蘭切向應(yīng)力ST、最大平均應(yīng)力SC和螺栓應(yīng)力，計算值與ASME B16.5中的法蘭材料相關(guān)的溫度壓力表格中許用壓力進(jìn)行對比。結(jié)果小于1時滿足條件既不發(fā)生泄漏，大于1時則不滿足條件，會發(fā)生泄漏。

(1a)

(1b)

(1c)

(1d)

螺栓應(yīng)力W/Ab≤[Sb]

(1e)

Y為與K有關(guān)的系數(shù)，Z為與K有關(guān)的系數(shù)，可在標(biāo)準(zhǔn)ASME VIII Division I中查找。

(2)法蘭剛度校核。

當(dāng)法蘭以許用應(yīng)力極限值進(jìn)行設(shè)計時，可能同時會出現(xiàn)由于法蘭剛度不足而導(dǎo)致泄漏的問題，因此還需考慮法蘭剛度對法蘭泄漏的影響。通常在CAESARⅡ中輸入法蘭基本參數(shù)及工況條件，計算得出剛度系數(shù)J，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，當(dāng)J>1時，應(yīng)適當(dāng)增加法蘭厚度或提高法蘭磅級，以使得剛度系數(shù)J滿足小于等于1的要求[4]。但僅使用剛性指數(shù)J不能保證泄漏率在規(guī)定的限度內(nèi)，此系數(shù)的使用必須僅作為系統(tǒng)接頭設(shè)計和裝配要求的一部分來考慮，需結(jié)合其他方式共同計算。

3 法蘭泄漏模型分析

文章結(jié)合以上理論分析，通過實際模型利用軟件CAESARⅡ進(jìn)行模擬計算，找到適合于工程應(yīng)用的方法，并分析影響法蘭泄漏的主要因素，為以后的法蘭設(shè)計提供可靠的參考依據(jù)。同時也通過模擬分析，為以后進(jìn)行法蘭泄漏計算分析提供分析步驟。

3.1 模型基本設(shè)計參數(shù)

選取某項目中PSV系統(tǒng)的管線，其管道模型圖如圖2,PSV系統(tǒng)的流體處于高壓、高流速狀態(tài)，管徑相對較大，且連接復(fù)雜，易發(fā)生泄漏，應(yīng)對其中的法蘭進(jìn)行泄漏分析?；谔厥夤r分析的ASME Ⅷ-1卷附錄2法選擇典型法蘭連接進(jìn)行分析，可以驗證ASME法分析更準(zhǔn)確，通過這種方法，能分析出關(guān)鍵部位法蘭在工況復(fù)雜時的受力情況，以PSV系統(tǒng)管道模型為基礎(chǔ)，結(jié)合表1和表2中的參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

圖2 PSV系統(tǒng)管道模型Fig.2 Pipeline model of PSV system

表1 管道設(shè)計參數(shù)Tab.1 Pipeline design parameters

表2 法蘭設(shè)計參數(shù)Tab.2 Flange design parameters

3.2 基于ASME B&PVC規(guī)范Ⅷ-1卷附錄2法的泄漏分析

法蘭材質(zhì)為A182 F304/304L；螺栓材料為A320-B8M CL2；法蘭磅級為CL150，端面形式RF；墊片采用不銹鋼石墨纏繞墊。

將上述基礎(chǔ)數(shù)據(jù)輸入軟件，進(jìn)行模擬分析計算，得出CL 150法蘭分析結(jié)果，如表3～表5。

表3 不同法蘭模型的安全系數(shù)總匯Tab.3 Summary of safety factors of different flange models

表4 法蘭剛度系數(shù)Tab.4 Flange stiffness coefficient

表5 法蘭和螺栓應(yīng)力(kPa)Tab.5 Flange and bolt stress(kPa)

要防止法蘭的泄漏，前提條件就是要保證法蘭本身能滿足強(qiáng)度和剛度要求。如果法蘭不能滿足這些要求，在運行的過程中可能會使法蘭整體發(fā)生破壞，這樣將產(chǎn)生更加嚴(yán)重的后果。通過采用ASME法分析可以看出。

(1)墊片是影響法蘭泄漏的一個主要方面，尤其是墊片的彈塑性變形性能對防止法蘭的泄漏更是重要，軟件中內(nèi)嵌的墊片的計算分析，通過分析墊片在載荷工況下的變形情況，確定墊片的彈塑性能是否滿足防止泄漏的要求，由表3結(jié)果看出，在此條件下，墊片的影響滿足抑制法蘭泄漏的要求。

(2)根據(jù)2.3公式組剛度系數(shù)計算公式，計算出的法蘭剛度系數(shù)如表4所示，操作狀態(tài)下和預(yù)緊狀態(tài)下的剛度系數(shù)均小于1.0，滿足規(guī)范中對法蘭剛度的要求。

(3)根據(jù)2.3公式組計算法蘭在三個方向上的應(yīng)力情況，由表5的計算結(jié)果看出，預(yù)緊狀態(tài)下的法蘭徑向應(yīng)力，操作狀態(tài)下的最大平均應(yīng)力和操作及預(yù)緊狀態(tài)下的螺栓應(yīng)力均未通過，它們均超過了相應(yīng)條件下的許用應(yīng)力，可以判斷此法蘭強(qiáng)度不能滿足要求。

(4)此方法對法蘭的螺栓應(yīng)力進(jìn)行分析，校核螺栓是否能達(dá)到許用應(yīng)力要求的范圍。螺栓的預(yù)緊應(yīng)力對抑制法蘭的泄漏起著重要的作用，預(yù)緊力過小將不能起到密封的作用，過大將會使墊片被壓垮。由表5的結(jié)果可看出，在操作和預(yù)緊狀態(tài)下的螺栓應(yīng)力均超過了許用應(yīng)力，因此，螺栓不能滿足要求。

通過以上分析可以看出CL 150法蘭雖滿足剛度要求，但是不能滿足法蘭強(qiáng)度要求，會發(fā)生法蘭泄漏，因此，考慮提高法蘭磅級至CL 300進(jìn)行計算，其他條件不變，計算結(jié)果如6～表8。

表6 關(guān)于不同法蘭模型的安全系數(shù)總匯Tab.6 Summary of safety factors for different flange models

表7 法蘭剛度系數(shù)Tab.7 Flange stiffness coefficient

表8 法蘭和螺栓應(yīng)力(kPa)Tab.8 Flange and bolt stress(kPa)

由表6～表8可以看出，CL 300的法蘭在此方法下，法蘭強(qiáng)度校核、剛度校核和墊片的回彈性分析以及螺栓的強(qiáng)度校核均滿足要求。因此，根據(jù)這種分析方法，當(dāng)前工作條件下的法蘭應(yīng)選用CL300的標(biāo)準(zhǔn)法蘭。

ASME Ⅷ-1卷中的方法，嚴(yán)格說是一種法蘭設(shè)計方法，由上述分析過程可以看出，此方法分析較為嚴(yán)謹(jǐn)，對法蘭連接的所有相關(guān)內(nèi)容均進(jìn)行了規(guī)定，規(guī)范中要求法蘭頸部縱向應(yīng)力、法蘭徑向應(yīng)力、法蘭切向應(yīng)力和最大平均應(yīng)力應(yīng)小于相應(yīng)的規(guī)定值，法蘭的剛度系數(shù)也應(yīng)不大于1.0，墊片的選用也包括在內(nèi)。這種方法對法蘭連接的所有元件進(jìn)行綜合分析，較為全面地保證了法蘭在強(qiáng)度、剛度，墊片在壓縮回彈性能以及螺栓強(qiáng)度的安全性?？傮w來說，是較為貼近實際的一種分析方法。

4 結(jié)論

通過采用ASME B&PVC規(guī)范Ⅷ-1卷附錄2法分析，可以得出ASME方法要求法蘭的軸向、徑向、環(huán)向和組合應(yīng)力、墊片的壓縮回彈性能以及螺栓的軸向應(yīng)力均不能超出許用值，此方法分析較為全面，理論上也更加完整，可更加有效保證法蘭連接結(jié)構(gòu)的安全運行。雖其工作量相對較大，但在復(fù)雜環(huán)境工況下此種分析是必不可少的，尤其適用高溫、高壓工況或極度危害介質(zhì)工況，均可采用ASME方法進(jìn)行法蘭泄漏校核或法蘭選型，因此認(rèn)為此方法具有更高的安全性和良好適用性。

在保證法蘭本身性能滿足的前提下，法蘭連接密封性的主要影響因素是墊片的性能以及在安裝過程中螺栓預(yù)緊力的控制，通過以上分析，抑制法蘭泄漏的方法主要從以下幾方面考慮：(1)選用法蘭強(qiáng)度、剛度合適的法蘭；(2)必要的墊片的回彈性分析；(3)螺栓的強(qiáng)度校核；(4)安裝時要控制預(yù)緊力的大小。