姜 峰 梁宇翔 李有雯

(蘭州理工大學石油化工學院)

法蘭連接結(jié)構(gòu)墊片標準體系研究①

姜 峰 梁宇翔 李有雯

(蘭州理工大學石油化工學院)

介紹了法蘭連接設計方法的發(fā)展歷程，將目前最完善的歐盟墊片標準體系與國標進行了對比，根據(jù)對比結(jié)果發(fā)現(xiàn)國標的一些不足之處，對改進設計方法和完善墊片標準提出了若干建議，以供國內(nèi)研究人員參考。

法蘭連接 設計方法 墊片標準

螺栓法蘭連接廣泛用于化工、煉油等行業(yè)的壓力容器和管道中[1]，該連接結(jié)構(gòu)受操作工況下介質(zhì)壓力、溫度及管系產(chǎn)生的附加彎矩、附加軸向力等載荷的作用，易發(fā)生泄漏[2]，導致密封失效，這不僅會造成能源浪費、環(huán)境污染，還可能釀成災難性事故。如：2016年，某石化公司在檢修后的開工過程中進料過濾器法蘭泄漏著火，因處理及時未造成人員傷亡；2013年，海南一肉類加工公司液氮儲罐法蘭口墊片老化造成泄漏，當?shù)鼐o急疏散群眾400余人。保證螺栓法蘭接頭的密封性能對于設備的長期正常使用和人員安全有著重要作用，而形式、結(jié)構(gòu)、性能復雜的墊片則是控制泄漏的關鍵部件。因此，法蘭連接設計方法和相關的墊片技術要求越來越被重視[3]。

1 法蘭連接設計方法進展

對于法蘭接頭的設計、計算方法，最常用的是Waters法(華脫斯法)。該方法主要以墊片的性能參數(shù)m、y來確定墊片反力，以此為載荷對法蘭和螺栓進行應力校核計算。由于其計算模型極其簡化，能對復雜的法蘭連接進行初步的設計計算，自20世紀30年代提出以來，被各國的壓力容器標準普遍采納，如ASME規(guī)范、我國的GB/T 150及日本的JIS B8270等。但這種傳統(tǒng)的法蘭設計方法僅對法蘭連接件進行了強度校核，而法蘭接頭的泄漏、密封還與墊片本身的密封性能有很大關聯(lián)[4]。為解決此問題，美國壓力容器研究委員會(PVRC)進行了一系列有關法蘭墊片性能參數(shù)的研究，并在1989年提出了一個基于泄漏率準則的螺栓法蘭連接接頭設計新方法[5]。該方法提出了新的墊片系數(shù)Gb、a、Gs，并引入了緊密度等級TP的概念，盡管能反映出墊片在預緊時的密封能力，但這些系數(shù)與法蘭連接的密封性并沒有明確的定量關系，因而最終未被廣泛采用。

歐洲標準化協(xié)會法蘭及其接頭委員會(CEN/TC)吸收了部分PVRC的研究成果并采納了德國標準DIN 2505的設計思想，于1994年發(fā)布了法蘭計算的新標準草案prEN 1591-1《法蘭及其接頭-帶墊片圓形法蘭連接設計規(guī)則——第1部分：計算方法》(2001年成為歐盟正式執(zhí)行標準，以下簡稱EN 1591)[6]。相對于傳統(tǒng)方法，EN 1591全面考慮了螺栓法蘭連接系統(tǒng)的機械特性，不僅進行強度校核，更進行了密封性計算，使設計計算結(jié)果與實際情況更為貼切。但是，由于考慮的因素較多，使其計算頗為復雜，且墊片系數(shù)很難確定[7]。

2 歐盟與國內(nèi)墊片標準的比較

如上所述，目前使用最為廣泛的法蘭連接設計方法為Waters法和歐盟EN 1591方法，我國現(xiàn)階段的法蘭設計主要是Waters法。兩種計算方法均各自規(guī)定了墊片的設計參數(shù)，用于設計計算螺栓法蘭接頭?，F(xiàn)從下面幾個方面對歐盟EN1591和國內(nèi)墊片標準進行比較。

2.1標準體系比較

2.1.1EN墊片系列標準

CEN/TC分別于1997年、2001年啟用了墊片尺寸標準EN 1514、EN 12560，2004年頒布了墊片參數(shù)測試標準EN 13555，2005年頒布了墊片質(zhì)量標準EN 14772。這些標準與EN 1591組成了一個完整、規(guī)范的墊片標準體系(圖1)。

該標準體系中，EN 1591-1設計計算方法所需的墊片特性參數(shù)由ENV 1591-2《法蘭及其接頭-帶墊片圓形法蘭連接設計規(guī)則——第2部分：墊片參數(shù)》給出[8]。EN 1591的這兩部分被直接收錄于EN 13445-3《無燃燒壓力容器——第3部分：設計》，作為其附錄G[9]。由于ENV 1591-2中的墊片參數(shù)沒有給出具體的試驗方法，與泄漏率也沒有關聯(lián)，受溫度的影響情況亦不明確，因此CEN/TC在1999年提出了草案prEN 13555，該草案在2004年成為正式執(zhí)行標準，即EN 13555《法蘭及其接頭-帶墊片圓形法蘭連接設計規(guī)則所需墊片參數(shù)及其試驗方法》[10]。該標準按照EN 1591-1規(guī)定了墊片和密封材料的設計參數(shù)，并提供了能檢驗ENV 1591-2相關參數(shù)的試驗程序，建立了在EN 1591-1標準下可用的設計公式。

2.1.2Waters法(國標)墊片系列標準

Waters法自提出以來已被許多國家采用，我國現(xiàn)行標準GB/T 150也采用的是Waters法，螺栓法蘭接頭設計、計算所需的重要墊片特性參數(shù)m、y根據(jù)使用經(jīng)驗確定(GB/T 150-3《壓力容器——第3部分：設計》表7-2中給出了常用材料對應的推薦值[11])。國內(nèi)在20世紀末對墊片標準進行了大量的修訂和更新，制定了多個相關的墊片標準。但相比已經(jīng)十分完整、規(guī)范的EN墊片標準體系，國內(nèi)的標準還有不足[12,13]，尤其在墊片標準體系建設方面有待加強。

2.2墊片性能要求、參數(shù)、質(zhì)量標準比較

自石棉墊片逐步禁用或限制后，許多新的墊片材料和結(jié)構(gòu)開始迅速得以應用，這對墊片性能和墊片參數(shù)測試方法的研究提出了更深入的要求[14]，相關的墊片標準也在不斷地修訂、更新。

2.2.1墊片性能標準

一個完整墊片標準體系應能準確反映出墊片在操作工況下的密封性能，并對螺栓法蘭接頭進行設計、計算，需要能反映墊片性能的墊片特性參數(shù)，在EN墊片標準體系中，這些墊片參數(shù)均由EN 13555通過標準化試驗得到。國內(nèi)標準的墊片特性參數(shù)僅一部分是由標準化試驗所得，如：GB/T 12385《管法蘭用墊片密封性能試驗方法》[15]，GB/T 12621《管法蘭墊片應力松弛試驗方法》[16]，GB/T 12622《管法蘭用墊片壓縮率和回彈率試驗方法》[17]；而最重要墊片特性參數(shù)m、y則是根據(jù)使用經(jīng)驗確定(GB 150給出了推薦值)，計算的精確性難以保證，工程實際中常常選擇保留非常大的安全余量來解決這一問題。表1和表2列出EN 13555與國標的墊片參數(shù)定義和確定方法。

表1 EN 13555與國標的墊片參數(shù)定義

(續(xù)表1)

表2 EN 13555與國標的墊片參數(shù)確定方法

2.2.2墊片尺寸標準

CEN分別于1997年啟用了EN 1514《法蘭及其接頭-PN標示法蘭的墊片尺寸》[18]，2001年啟用了EN 12560《法蘭及其接頭-CLASS標示法蘭的墊片尺寸》[19]，歐盟制定的墊片尺寸標準均以兩個平行的系列展開，即以PN和CLASS分別標示的系列，此后又不斷進行增訂，幾乎囊括了所有常用墊片類型。國內(nèi)的墊片尺寸標準根據(jù)使用習慣，一部分類型的墊片將尺寸按PN系列和CLASS系列分別編排，其余類型墊片的尺寸標準并未分別編排；全國化工設備設計技術中心站聯(lián)合有關部門在2009年發(fā)布了新的化工行業(yè)規(guī)范HG/T 20592-20635《鋼制管法蘭、墊片、緊固件》，該規(guī)范參照歐美先進標準并結(jié)合國內(nèi)實際情況修訂而成，包括了國際通用的兩大管法蘭、墊片和緊固件標準系列：PN系列和CLASS系列[20]。表3為歐盟、國標和化工行業(yè)標準的墊片尺寸標準。

表3 歐盟、國標和化工行業(yè)標準的墊片尺寸標準

2.2.3墊片質(zhì)量標準

墊片標準的制定與發(fā)展的最終目的是指導實際應用，一個完善的標準體系不僅要有理論研究的深度，也需要顧及用戶選用的廣度。為此，CEN于2003年通過了草案prEN 14772《法蘭及其接頭-EN 1514和EN 12560系列標準相應的墊片的質(zhì)量保證檢查和試驗》(該草案于2005年成為歐盟正式執(zhí)行標準)[21]，該標準囊括了EN 1514和EN 12560中的相關要求，介紹了墊片組成材料的重要特性并列舉了一些簡單、可靠的試驗方法供制造商使用。目前，國內(nèi)還沒有制定出成體系的墊片質(zhì)量標準，各個類型墊片的技術條件標準雖然能大致滿足尺寸、制造和技術性能要求，但對制造商的限制太大，不利于墊片使用的推廣。以非金屬平墊片為例，國內(nèi)相應的質(zhì)量標準為GB/T 9129《管法蘭用非金屬平墊片-技術條件》[22]，表4為EN 14772與GB/T 9129的主要質(zhì)量保證檢查和試驗方法。

表4 非金屬平墊片的主要質(zhì)量保證檢查和試驗方法

3 完善國內(nèi)墊片標準的建議

近年來，國內(nèi)的墊片標準經(jīng)過修訂，不斷增加材料品種和性能指標要求，擴大了標準的適用范圍，初步形成了一個比較規(guī)范的墊片標準系列。但通過與歐盟體系的比較，不難發(fā)現(xiàn)國內(nèi)標準還存在一些問題：沿用使用已久的Waters計算方法，其墊片參數(shù)m、y與密封介質(zhì)和泄漏率無關，且無法通過標準試驗進行確定，難以在新材料、結(jié)構(gòu)的墊片產(chǎn)品中推廣使用；相關標準不夠完善，即有的試驗標準測定方法單一，墊片產(chǎn)品的性能數(shù)據(jù)不夠完善，導致各制造商的產(chǎn)品良莠不齊。因此，建議組織相關的委員會進行有關試驗研究，根據(jù)我國國情，改進傳統(tǒng)的墊片參數(shù)，使之與泄漏率相關聯(lián)，并完善試驗方法；參照歐盟標準，盡快完善配套的墊片制造、質(zhì)量檢驗和用戶選用一體化的相關標準，提高國內(nèi)密封企業(yè)技術水平。

[1] 李敏，杜娟，沈宜輝.螺栓法蘭接頭緊固密封的研究展望[J].化工機械，2011，38(5)：513～516.

[2] 劉容，顧伯勤，陳曄.附加載荷作用下螺栓法蘭連接的強度和緊密性分析[J].化工機械，2007，34(5)：264～267.

[3] 朱磊.螺栓法蘭連接的失效案例分析及有關進展的討論[J].壓力容器，2012，29(2)：42～49.

[4] 秦叔經(jīng).EN 13445中法蘭設計另一方法的分析和討論[J].化工設備與管道，2009，46(1)：1～9.

[5] 蔡曖姝.法蘭計算方法和墊片性能參數(shù)[J].石油化工設備技術，2014，35(2)：57～61.

[6] EN 1591-1-2001，F(xiàn)langes and Their Joints-Design Rules for Gasketed Circular Flange Connections-Part1：Calculation Method[S].London：The British Standard Institution，2009.

[7] 蔡仁良.EN 1591法蘭計算標準簡介(一)[J].壓力容器，2003，20(10)：7～10.

[8] EN1591-2-2008，F(xiàn)langes and Their Joints-Design Rules for Gasketed Circular Flange Connections-Part2：Gasketed Parameters[S].London：The British Standard Institution，2008.

[9] EN 13445-3-2009，Unfired Pressure Vessels-Part 3：Design[S].London：The British Standard Institution，2009.

[10] EN 13555-2004，F(xiàn)langes and Their Joints-Gasket Parameters and Test Procedures Relevantto the DesignRulesfor Gasketed Circular Flange Connections[S].London：The British Standard Institution，2004.

[11] GB 150-2011，壓力容器[S]. 北京：中國質(zhì)檢出版社，2011.

[12] 蔡仁良.歐盟法規(guī)及對其法蘭接頭標準的影響[J].化工設備與管道，2005，42(4)：16～20.

[13] 蔡仁良.歐洲螺栓法蘭設計和墊片標準的新動向[J].化工設備與管道，2002，39(1)：10～13.

[14] 蔡仁良，蔡暖姝，章蘭珠，等.螺栓法蘭接頭安全密封技術(二)——基于控制泄漏率的墊片應力及其試驗方法[J].化工設備與管道，2012，49(5)：1～10.

[15] GB/T 12385-2008，管法蘭用墊片密封性能試驗方法[S].北京：中國標準出版社，2008.

[16] GB/T 12621-2008，管法蘭墊片應力松弛試驗方法[S].北京：中國標準出版社，2008.

[17] GB/T 12622-2008，管法蘭用墊片壓縮率和回彈率試驗方法[S].北京：中國標準出版社，2008.

[18] EN 1514-1997，F(xiàn)langes and Their Joints-Dimensions of Gaskets for PN-Designated Flanges[S].London：The British Standard Institution，1997.

[19] EN 12560-2001，F(xiàn)langes and Their Joints-Dimensions of Gaskets for Class-Designated Flanges[S].London：The British Standard Institution，2001.

[20] HG/T 20592-20635，鋼制管法蘭、墊片、緊固件[S].北京：人民出版社，2009.

[21] EN 14772-2005，F(xiàn)langes and Their Joints-Quality Assurance Inspection and Testing of Gaskets in Accordance with the EN 1514 and EN 12560 Series of Standards[S].London：The British Standard Institution，2005.

[22] GB/T 9129-2003，管法蘭用非金屬平墊片-技術條件[S].北京：中國標準出版社，2003.

StudyonGasketStandardSystemofFlangeConnectionStructure

JIANG Feng, LIANG Yu-xiang，LI You-wen

(CollegeofPetrochemicalEngineering,LanzhouUniversityofTechnology)

The development of flange connection design methods was introduced and the difference between EU standard system and Chinese standard system were compared to indicate the deficiencies in the Chinese standard system. Some suggestions to improve design methods and perfect the gasket standards were presented to provide the reference for researchers.

flange connection, design method, gasket standards

姜峰(1969-)，副教授，從事壓力容器結(jié)構(gòu)強度和可靠性研究工作，1090267470@qq.com。

TQ055.8

A

0254-6094(2017)05-0479-05

2016-12-30，

2017-09-06)