帶頸對焊法蘭對焊端厚度最小值的研究

龐 冠

中國成達工程有限公司 四川成都 610041

工程設計中，帶頸對焊法蘭對焊端（或錐頸小端）厚度取決于管道壁厚，兩者相等。在帶頸對焊法蘭螺栓安裝載荷的計算過程中，往往會出現(xiàn)這樣一種情況：為了確保法蘭錐頸小端應力不超過許用值，需要減小螺栓安裝應力或增大管道壁厚。但螺栓安裝應力不能無限制地減小，因而通過增加管道壁厚以增加對焊端（或錐頸小端）厚度就成了最后的選擇。但在目前的管道壁厚設計中，并未考慮螺栓安裝工況，于是便產(chǎn)生了如下問題：帶頸對焊法蘭對管道壁厚是否有一定要求，也即是否存在某一個確定的值或者范圍是法蘭對焊端厚度不可逾越的？在滿足設計工況及規(guī)范要求（如GB50316[1]附錄D 對A1 類流體的管道壁厚有特殊要求）的前提下，管道壁厚是否可以盡可能的小而無其他限制？管道壁厚設計中，是否應該考慮螺栓安裝工況？這些是工程設計領(lǐng)域需要回答卻被長期忽視的問題。

1 壁厚陷阱

對于某一確定規(guī)格和壓力等級的帶頸對焊法蘭，隨著管道壁厚的改變，法蘭錐頸大端和小端厚度（圖1）發(fā)生變化。在螺栓安裝載荷作用下，法蘭錐頸中的應力隨壁厚改變不斷地進行重新分配。隨著壁厚的變小，錐頸小端應力逐漸增大，且應力值的變化對壁厚減小的幅度會越來越敏感。但應力并不總是隨著壁厚的減小而增大，這與端部尺寸變化導致的應力重新分配有關(guān)。

圖1 帶頸對焊法蘭與管道焊接示意圖

桑如苞等[2]對壓力容器用長頸法蘭在邊界條件下的應力進行深入分析，并給出了錐頸小端和對接筒體沿軸向的應力分布情況，如圖2 左側(cè)陰影部分所示。同時提出了法蘭直邊段削薄理論：在筒體邊界上作用均布彎矩和橫向剪切力時，應力沿筒體軸向具有急劇衰減的特性。若圓柱殼厚度沿軸向發(fā)生遞減，則應力的衰減狀態(tài)將趨緩，甚至應力會發(fā)生增大現(xiàn)象。應力沿變厚圓柱殼長度方向上的應力分布與厚度相關(guān)，將法蘭直邊進行一定程度的削薄，可以將應力控制在一定的水平內(nèi)而不發(fā)生超應力問題。

圖2 管道軸向與法蘭錐頸小端應力的變化

對于管道常用的帶頸對焊法蘭，其力學模型與文獻[2]所述削薄直邊處理的長頸法蘭相同。對于某一確定規(guī)格的管道，當管道壁厚減薄時，法蘭的錐頸小端和大端厚度均隨之減小，錐頸小端相當于發(fā)生了圖2 中右側(cè)相對于左側(cè)的下移，原錐頸小端的應力位置也向下移動，應力重新分配?！跋鞅〉闹边叾巍币舶l(fā)生了下移，相當于造成錐頸高度變小。錐頸厚度和高度的減小必然導致錐頸小端應力發(fā)生改變。隨著管道壁厚的繼續(xù)減小，管道軸向上的應力曲線繼續(xù)下移，很可能會出現(xiàn)錐頸小端應力方向的改變，由正轉(zhuǎn)負，如圖2 右側(cè)所示。

基于帶頸對焊法蘭的錐頸小端厚度等于管道壁厚，大量計算表明，任一標準帶頸對焊法蘭（CLASS 系列或PN 系列）錐頸小端的應力（切向應力和軸向應力）隨管道壁厚的變化情況均存在類似于圖3 所示的曲線。曲線中存在一個“應力轉(zhuǎn)變關(guān)鍵點”，該點在1/ 1000 甚至1/ 10000 的壁厚變化區(qū)間內(nèi)。在這一極其微小的壁厚變化區(qū)間內(nèi)，應力值由負轉(zhuǎn)正，甚至可能從一個負的極大值變?yōu)檎臉O大值，應力出現(xiàn)劇烈變化。這里所指的極大值（正的或者負的）并非最大值（最大值一般很難求得，需要不斷地試算逼近最大值）。極大值是相對于法蘭材料的屈服強度而言的，是一個遠高于屈服強度的數(shù)值，可能是成千上萬倍于屈服強度。以法蘭材料ASTMA182- F304L為例,其屈服強度170MPa。文獻[3]詳細列出了法蘭各項應力計算公式及相應判據(jù)，這些公式均源自WRC Bulletin 538[4]。

圖3 帶頸對焊法蘭錐頸小端應力與管道壁厚的相互關(guān)系

應力轉(zhuǎn)變關(guān)鍵點附近存在一個應力值不穩(wěn)定的較小區(qū)域，對于絕大多數(shù)帶頸對焊法蘭，該區(qū)域?qū)挾葍H為0.01～0.5mm。由于此區(qū)域范圍非常小，不容易被發(fā)現(xiàn)，但壁厚進入該區(qū)域?qū)⒖赡艹霈F(xiàn)意想不到的破壞（因應力值遠高于屈服強度），故稱之為“壁厚陷阱區(qū)”,如圖3 所示。

壁厚陷阱區(qū)與法蘭厚度、法蘭高度、錐頸厚度比率（圖1 中g(shù)1/ g0）、直邊長度（圖1 中L1或L0）、螺栓的配置情況等因素有關(guān)。壁厚陷阱區(qū)并不是出現(xiàn)在壁厚逐漸接近0 的過程中。在壁厚陷阱的左側(cè)，也并非就是隨著壁厚的減小而應力值減小，也可能會出現(xiàn)超過屈服強度的高點，甚至出現(xiàn)多個。因此，工程上最好的辦法就是讓管道壁厚位于壁厚陷阱區(qū)的右側(cè)。

2 設計中需避免的壁厚陷阱

不太可能進入該區(qū)域，因此不在此列出。從表1 可以看出，左側(cè)的壁厚與右側(cè)的壁厚相差1/ 1000mm，且表中左側(cè)的應力值為負，右側(cè)的應力值為正。

表1 影響壁厚設計的應力轉(zhuǎn)變關(guān)鍵點所在壁厚區(qū)間

工程設計中，壓力等級為CL150 至CL300 的不銹鋼管線，DN50—DN600 的管道壁厚取值通常為SCH10S（ASME B36.19/ 36.19M）[6]。壓力等級為CL150 的應力轉(zhuǎn)變關(guān)鍵點較?。ㄒ姳?），SCH10S 對應的壁厚跨過了壁厚陷阱區(qū)，已進入圖3 中的安全區(qū)。而對于CL300 等級的管線，DN350—DN600 的管道壁厚取值與位于壁厚陷阱區(qū)中的應力轉(zhuǎn)變關(guān)鍵點非常接近，若考慮實際供貨偏差，則很容易落入壁厚陷阱區(qū)。壓力等級為CL600、CL900 的不銹鋼對焊法蘭對焊端厚度取值也可能存在SCH10S 的情況，比如高低壓變等級的地方，此時部分規(guī)格壁厚取值與壁厚陷阱區(qū)域非常接近或者沒有跨過壁厚陷阱區(qū)域，這是危險的，需要極力避免。

表2 應力轉(zhuǎn)變關(guān)鍵點所在壁厚區(qū)間 mm

3 直邊長度對壁厚陷阱區(qū)的影響及對策

3.1 標準對焊法蘭直邊長度現(xiàn)狀及影響

對于標準帶頸對焊法蘭，PN 系列已規(guī)定好了含坡口在內(nèi)的對焊端直邊長度，錐頸厚度比率是唯一影響壁厚陷阱區(qū)的可變因素。而對于CLASS 系列對焊端直邊長度是不固定的。

ASME B16.5 在2017 年及其以前的版本中，對于帶直邊的對焊法蘭均只規(guī)定了法蘭對焊端直邊長度(不含坡口在內(nèi))不低于6.4mm，但卻沒有規(guī)定直邊段的最大值，僅僅以錐頸與直邊夾角不超過45°來限制直邊長度。這留下了一個漏洞，使制造商有較大的操作空間，這意味著買到的同一個壓力等級和規(guī)格的帶頸對焊法蘭，其直邊長度或是錐頸特性可能顯著不同。所幸ASME B16.5- 2020[7]已將這一漏洞補上，限制了直邊長度（不含坡口）的最大值為12.7mm。

不同的直邊長度會形成不同的法蘭錐頸特性，進而會影響壁厚陷阱區(qū)的位置和大小。如圖1 中的虛線所示，相比于有直邊的對焊法蘭，不帶直邊(實質(zhì)上是將法蘭的錐部延伸到了對焊端，或是看作將一個較厚的直邊作了削薄處理)會使得法蘭的錐頸角度更為平緩，錐頸大端和小端之間的錐部區(qū)域厚度更厚，法蘭在螺栓載荷作用下的受力情況更好。對于表1、表2 中CLASS 系列法蘭，應力轉(zhuǎn)變關(guān)鍵點所在壁厚區(qū)間的得出是基于法蘭不含坡口在內(nèi)的直邊長度（圖1 中L0）不超過10mm，且含坡口在內(nèi)的直邊長度（圖1 中L1）不超過20mm。

3.2 工程設計中的對策

HG/ T20615- 2009[8]鋼制管法蘭（CLASS 系列）尚未升版，其對直邊段的規(guī)定與ASME B16.5- 2017 及以前的版本相同。因此設計人員在采用HG/ T20615 標準時，需要在設計文件中至少按照ASME B16.5- 2020 的要求增加相應的限制條件，嚴于ASME B16.5- 2020 是更為科學的，直邊長度越短越好，前提是不改變法蘭高度。

值得一提的是，有少部分規(guī)格的壁厚陷阱區(qū)比較大，區(qū)域?qū)挾瓤赡艹^10mm，如CL300—CL600 等級的DN400—DN600 帶頸對焊法蘭。這部分帶頸對焊法蘭需要根據(jù)工況仔細核算螺栓載荷，可能需要較大的管道壁厚。對于不銹鋼等一些比較貴重的材料來說，為了滿足螺栓載荷（以便實現(xiàn)法蘭接頭可靠密封）而增大壁厚顯然是不劃算的。比較合適的做法是，對這部分帶頸對焊法蘭宜取消直邊段（不能因取消直邊段而減小法蘭高度），即法蘭錐部宜按圖1 中虛線設計。如圖1 所示，取消直邊段后法蘭的錐頸特性有所改變，改善了法蘭的受力情況，因此可以極大地降低壁厚。以材質(zhì)為A182- F304L、公稱直徑為DN400 的CL300 (ASME B16.5)帶頸對焊法蘭為例，在最大280MPa 螺栓載荷作用下 (墊片密封參數(shù)m 按GB/ T38343 取值為7), 當法蘭對焊端直邊段長度為12mm 時，滿足法蘭應力校核的管道壁厚為12.7mm；而當直邊段長度為0 時，壁厚為8.2mm 即可滿足要求。

留出直邊段除了方便現(xiàn)場與管道進行組對外，直邊段的存在也利于射線拍片時在射線底片上能夠清晰分辨出管道與法蘭對焊端的界限，便于評片。除此之外，直邊段實際上并無太大存在的必要, 比如ASME B16.47[9]大尺寸鋼制管法蘭并無直邊。相較于少去直邊段卻能極大地節(jié)約材料來說，前述兩個便利顯得微不足道。

對于某些無毒無害的介質(zhì)（如脫鹽水），可以犧牲一些密封性能而進一步降低管道壁厚。墊片密封參數(shù)m=7視工況降低為m=3～6，也可以進一步降低壁厚。在不考慮設計溫壓對壁厚影響的情況下，仍以材質(zhì)為A182- F304L 的法蘭為例，公稱直徑為DN600 的CL300帶頸對焊法蘭的管道壁厚可由m=7 時的17mm 降低為m=3 時的SCH- STD(9.53mm)，對應最大螺栓安裝應力為165MPa(最小螺栓安裝應力為132.7MPa)；公稱直徑為DN500 的CL600 帶頸對焊法蘭的管道壁厚可由m=7時的20.7mm 降低為m=3 時的SCH- XS (12.7mm)，對應最大螺栓安裝應力為230MPa (最小螺栓安裝應力為170MPa)；公稱直徑為DN600 的CL600 帶頸對焊法蘭的管道壁厚可由m=7 時的24.3mm 降低為m=3 時的SCH- XS (12.7mm)，對應的最大螺栓安裝應力為185MPa(最小螺栓安裝應力為170MPa)。這是這幾個規(guī)格帶頸對焊法蘭錐頸小端（或?qū)付耍┖穸鹊淖钚∪≈怠?/p>

4 結(jié)論

（1）管道壁厚設計中，除了滿足設計工況和規(guī)范要求外，還應考慮螺栓安裝載荷的影響，壁厚不滿足要求時應視工況降低螺栓安裝載荷或增大管道壁厚。管道壁厚設計（或?qū)付撕穸龋┤≈禃r應至少在表2 中管壁厚給定值的基礎(chǔ)上增加0.5mm，以便跨過帶頸對焊法蘭的壁厚陷阱區(qū)。

（2）CLASS 系列帶頸對焊法蘭，不含坡口在內(nèi)的直邊長度不宜超過10mm，且含坡口在內(nèi)的直邊長度不宜超過20mm。直邊長度越短越好，因為減小直邊長度（不能因直邊長度減小而減小法蘭高度）可以在實現(xiàn)相同的密封性能前提下降低管道壁厚，從而節(jié)省材料。

（3）CL300—CL600 等級的DN400—DN600 帶頸對焊法蘭不宜有直邊段（不能因取消直邊段而減小法蘭高度），管道壁厚取值應大于SCH10S(ASME B36.19M)。對于法蘭對焊端厚度（或管道壁厚），公稱直徑為DN600 的CL300 法蘭最低為SCH- STD (9.53mm)；公稱直徑為DN500—DN600 的 CL600 法 蘭 最 低 為 SCH- XS(12.7mm)。