王春霞，程久歡，紀(jì)志遠，王學(xué)翠，張?zhí)K飛

（海洋石油工程股份有限公司設(shè)計院， 天津 300451）

工藝管道與設(shè)備或閥門的連接通常采用法蘭連接，其優(yōu)點是便于設(shè)備檢修、拆卸和安裝。缺點是法蘭在工作狀態(tài)下，同時受到內(nèi)壓和外載荷的作用，可能會造成法蘭及其螺栓、墊片組成的密封副泄漏。如果密封失效，會造成介質(zhì)泄漏，引發(fā)安全事故。因此，在壓力管道設(shè)計中，經(jīng)常遇到對法蘭進行強度和剛度校核的問題，法蘭泄漏校核是應(yīng)力分析中的重要一項。

1 概述

泄漏是法蘭、墊片和螺栓強度的相關(guān)剛度的共同作用導(dǎo)致的流體漏出的問題。法蘭需要設(shè)計為在冷態(tài)（水壓試驗壓力）和熱態(tài)（操作壓力時）都不發(fā)生泄漏。海洋石油平臺常用ASME B16.5焊頸法蘭，其在設(shè)計時沒有考慮管道的彎矩，會在配對法蘭密封面處產(chǎn)生一個拉絲效果。因此，靠近高彎矩點的法蘭受彎矩的影響，易產(chǎn)生密封失效導(dǎo)致的泄漏，因此需要進行法蘭泄漏校核。

海洋石油平臺法蘭泄漏一般依據(jù)D N VPR-D101[1]的推薦做法。常用的校核方法有以下三種：基于ASME B16.5壓力溫度曲線的當(dāng)量壓力法、NC3658.3法、ASME BPVC Ⅷ卷附錄2法。

2 法蘭校核方法

2.1 當(dāng)量壓力法

壓力當(dāng)量法適用于所有等級和尺寸的ASME法蘭，此法出自著名工程公司Kellogg，是將管道應(yīng)力分析獲得法蘭面的軸向力和彎矩折算為當(dāng)量壓力Pe[2]，通過控制當(dāng)量壓力，保證密封性。如圖1所示。其本質(zhì)是把軸向應(yīng)力控制在一個非常保守的范圍內(nèi)，所有外部載荷被認(rèn)為作用在墊片上。

軸向力當(dāng)量化的壓力：

管道彎矩當(dāng)量化的壓力：

得出總的當(dāng)量壓力：

其中：F -軸向應(yīng)力；M -彎矩；G -墊片載荷作用的直徑。當(dāng)bo≤6mm時，G=（墊片內(nèi)徑+墊片外徑）/2；當(dāng)bo＞6mm時，G=（墊片外徑-2b）；bo -墊片的基本寬度，見ASME Ⅷ-1表2-5.2；b -有效墊片寬度。

圖1 當(dāng)量壓力法

將所得當(dāng)量壓力與法蘭標(biāo)準(zhǔn)溫度壓力等級表中許用壓力進行對照，如果小于表內(nèi)壓力則為合格。此法簡單可靠，但過于保守。由于B31.3并未對法蘭處外部載荷的處理提出明確的方法和公式，所以對于現(xiàn)場實際存在的安全運行的法蘭，很多在選定過程中并未考慮由管路引起的外部彎矩?？梢姲催@種方法處理是過于保守的，并未考慮到規(guī)范中溫度壓力等級表本身具有的安全裕度，也即法蘭在承受等級表中許用壓力時仍然具有相當(dāng)?shù)氖Ｓ鄰姸纫缘挚雇獠枯d荷。若量化剩余強度必須進行應(yīng)力計算。

2.2 NC3658.3法

NC3658.3法蘭校核公式出自ASME BPVCIII Division1 NC分卷第3658.3節(jié)[3]。適用于26寸以下的ASME法蘭。運用NC3658.3需要滿足兩個條件：

(1)法蘭、螺栓、墊片符合ASME B16.5的要求；

(2)螺栓材質(zhì)100℉（38℃）下的許用應(yīng)力≥20000Psi（138MPa）的高強度螺栓。

根據(jù)NC3658.3法，外部彎矩（Mfs）需要按照下面的方程（4）的計算值進行控制：

其中：Sy -法蘭材質(zhì)在給定溫度下的屈服強度，查ASME Sec.II Part D，比值Sy/36000永遠小于1；C -螺栓中心圓直徑；Ab -螺栓面積；Ab為所有螺栓的螺紋根部截面積或是最小直徑的截面積之和。

按照以下方法計算螺栓面積：

其中：Droot -螺栓根徑；Dbsc -螺栓最大（公稱）直徑（按照ASME B1.1 8.3條）；D1bsc -螺栓最小直徑（按照ASME B1.1 8.3條）；h -螺紋高度（按照ASME B1.1表5）；P -螺栓間距（按照ASME B1.1表1）。

當(dāng)計算法蘭應(yīng)力小于許用應(yīng)力時，法蘭滿足要求，不會泄漏，否則通過調(diào)整管線來減小法蘭處的彎矩或增大法蘭等級。2.3 ASME Ⅷ卷法蘭泄漏分析由于當(dāng)量應(yīng)力法太過保守，所以通常在使用

當(dāng)量壓力校核通不過時使用該方法，其原則是控制法蘭頸部軸向應(yīng)力，法蘭環(huán)徑向應(yīng)力，法蘭環(huán)切向應(yīng)力不超過許用值。工程中常用的是帶頸部的法蘭，所以本文僅介紹帶頸部法蘭的校核。

2.3.1 法蘭應(yīng)力的計算

帶頸部法蘭的應(yīng)力計算如下[4]：

頸部縱向應(yīng)力：

法蘭徑向應(yīng)力：

法蘭切向應(yīng)力：

其中：f為頸部應(yīng)力修正系數(shù)，當(dāng)大于1時，為頸部小端應(yīng)力與大端應(yīng)力值比；否則f=1；g1為法蘭背部頸部厚度；g0為法蘭頸部小端厚度；K為法蘭外徑與法蘭內(nèi)徑之比；t為法蘭厚度；B為法蘭內(nèi)徑；C為螺栓圓中心直徑；

Z=K2+1/K2-1，與K值有關(guān)；

e= F/h0，F(xiàn)為整體法蘭系數(shù)， h0=√Bg0；

L= (te+1)/t+t3/d；

T為與K有關(guān)的系數(shù)；M0為操作狀態(tài)下或預(yù)緊墊片時，作用在法蘭上的總力矩。

對于操作狀態(tài)：

M0=MD+MT+MG

對于預(yù)緊狀態(tài)：

M0=W(C-G)/2

MD是由HD產(chǎn)生的力矩分量，MD=HDhD；

HD是作用于法蘭內(nèi)截面的端部靜壓力，HD=0.785B2P；

hD為螺栓中心圓至HD作用圓的徑向距離，hD=R+0.5g1；

g1法蘭背部頸部厚度；

R為從螺栓中心圓到法蘭頸部與背面的交點間的徑向距離，R= (C-B)/2-g1；

MT是由HT產(chǎn)生的力矩分量，MT=HThT；

HT為總的端部靜壓力與作用于法蘭內(nèi)截面的端部靜壓力之差，HT=H-HD；

hT是螺栓中心圓至HT作用圓的徑向距離， hT=(R+g1+hG)/2；

hG為墊片壓緊力作用位置至螺栓中心圓的徑向距離，hG=(C-G)/2；

H為總的端部靜壓力，H=0.785G2P，P為設(shè)計外壓力；

MG為由HG產(chǎn)生的力矩分量，MG=HGhG；

HG為墊片的壓緊力， HG=W-H；

W為操作狀態(tài)或預(yù)緊墊片狀態(tài)下法蘭設(shè)計的螺栓載荷，

操作狀態(tài)下： W=Wm1；

預(yù)緊狀態(tài)下：W= (Am+Ab)Sa/2；

Wm1為操作狀態(tài)下所需的最小螺栓載荷；

Wm2為預(yù)緊狀態(tài)下所需的最小螺栓載荷；

Am為所需的螺栓的總橫截面積，取Am1和Am2中的最大者；

Am1為操作狀態(tài)下所需的螺栓螺紋根部的總橫截面積或應(yīng)力作用下最小直徑處的橫截面積，Am1=Wm1/Sb；

Am2為預(yù)緊狀態(tài)下所需的螺栓螺紋根部的總橫截面積或應(yīng)力作用下最小直徑處的橫截面積，Am1=Wm2/Sa；

Sa為常溫下螺栓的許用應(yīng)力；Sb為設(shè)計溫度下螺栓的許用應(yīng)力。

2.3.2 法蘭的許用壓力

ASME Ⅷ Div1規(guī)定，由法蘭應(yīng)力計算所得的頸部縱向應(yīng)力SH，法蘭徑向應(yīng)力SR，法蘭切向應(yīng)力ST滿足下列判定條件時，不會發(fā)生泄漏[4]。

（1）鑄鐵材料法蘭：SH≤Sf；其他材料法蘭：SH≤1.5Sf；

（2）法蘭徑向應(yīng)力：SR≤Sf；

（3）法蘭切向應(yīng)力：ST≤Sf；

（4）(SH+SR)/2不應(yīng)大于Sf且(SH+ST)/2不大于Sf。

3 校核結(jié)果比較

以下通過具體實例，基于CEASAR II軟件對這三種法蘭校核方法進行比較。

管路系統(tǒng)模型如圖3所示，設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 設(shè)計參數(shù)

圖3 管路系統(tǒng)模型

分別采用NC3658.3、壓力當(dāng)量法、ASME Ⅷ卷法校核立管上的兩個法蘭，節(jié)點號分別為180-190、270-280。NC3658.3、壓力當(dāng)量法在操作溫度下的校核結(jié)果如圖4所示。采用ASME Ⅷ卷法時，由于這兩個法蘭的尺寸等級壓力相同，選取其中最大的載荷帶入CAESAR II的法蘭分析模塊中進行分析，計算結(jié)果如圖5所示。

圖4 NC3658.3與當(dāng)量壓力法比較結(jié)果

圖5 ASME Ⅷ卷法

從計算結(jié)果可以看出，采用壓力當(dāng)量法計算的應(yīng)力與許用應(yīng)力的比值要比NC3658.3法得到的結(jié)果大許多，這是因為外部載荷實際上并不只作用于墊片，外部載荷在墊片處產(chǎn)生的最大應(yīng)力是在最外邊緣處。壓力當(dāng)量法的公式也未考慮法蘭本身屈服強度和螺栓受力，致使結(jié)果偏于保守。節(jié)點180-190采用當(dāng)量壓力法時，計算應(yīng)力超過了許用應(yīng)力，校核通不過，而采用ASME Ⅷ卷法時，校核通過。

4 結(jié)論

（1）按照常用的當(dāng)量壓力法依據(jù)溫度壓力表，選取的法蘭具有相當(dāng)?shù)氖Ｓ鄰姸?，足以承受一般操作中產(chǎn)生的外部載荷。但此法偏于保守，在工程設(shè)計中往往造成浪費。

（2）NC3658.3法相對于當(dāng)量壓力法，所假定的模型更接近于實際模型，分析的結(jié)果也更接近于真實情況。此法簡單明了，概念明確，在工程上得到廣泛應(yīng)用。

（3）ASME SEC Ⅷ Div1 Appendix 2提供的應(yīng)力分析方法較前兩種方法更符合實際結(jié)果，但計算過程較為繁瑣，前期需要做的工作較多。CAESAR Ⅱ提供的法蘭校核模塊，每次只能校核一個等級和材料的法蘭，對于含多種等級、多種材料的法蘭，要進行多次校核，工作量很大。法蘭載荷無法從靜態(tài)分析中直接提取，需人工提取并篩選出每個等級每種材料的法蘭載荷的最大值。當(dāng)分析結(jié)果與實際偏差較大時，在不改變法蘭材料和提高法蘭等級的前提下，采用此法進行校核，既保證了系統(tǒng)的安全性，又符合經(jīng)濟性的要求。

◆參考文獻

[1] DET NORSKE VERITAS.RECOMMENDED PRACTICE DNV-RP-D101,STRUCTUR AL ANALYSIS OF PIPING SYSTEMS[S].Norway：DNV,2008.

[2] 張旭. 壓力管道設(shè)計中法蘭校核方法探討[J].石油和化工設(shè)備，2010，13(8)：5-9.

[3] 北京市斯弗計算機軟件有限責(zé)任公司. 管道應(yīng)力分析實戰(zhàn)手冊[Z].

[4] ASME SEC Ⅷ Div 1 Appendix 2[S].