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中較為常見，在使用過程中，由于所連接的管道或設備產生的外力和力矩可能會導致泄漏，泄漏一旦發(fā)生，輕則浪費原料并污染環(huán)境，重則可能產生爆炸。文章結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軟件對法蘭泄漏進行校核，以提供抑制法蘭泄漏的方法。

1 法蘭密封泄漏

生產中在螺栓上施加扭矩后，法蘭密封面與墊片之間會產生壓緊力，使墊片表面產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，當介質通過密封面的阻力大于法蘭密封面內外的壓差時，泄漏通道被阻斷，實現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緊力、墊片柔性填補等進行實現，在工程實踐中，認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，導致螺栓可能發(fā)生松動，出現泄漏；由于管道介質溫度較高或較低，在溫差效應下產生熱膨脹等，造成法蘭連接螺栓長度伸長或變形，導致泄漏；安裝時出現壓力偏差，螺栓松緊不一，法蘭對中偏移，會導致管道在運行狀態(tài)下發(fā)生泄漏。

綜合分析可以發(fā)現，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)安全生產產生影響，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，一般與介質的工作壓力有關，壓力與泄漏量成正比關系。另外還與密封材料的性質和介質的物理特性有關。通常粘性較大的介質發(fā)生滲透泄漏的可能性較小，主要是由于粘性大的介質產生的阻力較大，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。在生產過程中，經常會出現螺栓在擰緊時發(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材料變質、老化現象，引起塑性變形，導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而發(fā)生泄漏，可見墊片的性能也是產生界面泄漏的原因。墊片的變形包括彈性變形和塑性變形。彈性變形產生的回彈性將填補因內壓等因素引起的相連法蘭面的分離，達到連續(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償，填補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。在軟件中可采用當量壓力法，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性和合理性，為實際模型的分析做好前期準備。最終，將這些理論與實際的應用相結合，為實際的工程實踐應用提供幫助。

2.1 當量壓力法(Peq法)簡介

當量壓力法是進行法蘭一般性泄漏校核的主要方法之一。此方法認為所有的外部載荷作用于墊片上，根據力學關系推導將法蘭端面處承受的軸向力與彎矩等外載荷轉換為當量壓力值，再將當量壓力值與設計壓力值相加，以得到作用在法蘭上的總壓力，最后將總壓力與ASME B16.5標準中的法蘭材料相關的溫度壓力表格中的許用壓力進行對比。理論上認為，當總壓力小于標準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度法，是ASME B&PVC-Ⅲ中的方法，此方法認為管道介質內壓和由管道受外力變形所產生的力矩均作用在螺栓上，當螺栓發(fā)生變形甚至破壞時，法蘭連接處將發(fā)生泄漏。同樣認為，法蘭在不同條件下計算出的屈服強度應小于該材料的法蘭相應條件下的許用屈服強度，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，它應用在帶墊片的螺栓法蘭和法蘭連接件的設計規(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。分為許用應力校核和法蘭剛度校核。

(1)許用應力校核。

此方法是通過對法蘭連接在兩種工況(操作工況和預緊工況)下的受力情況進行分析，確定起決定作用的一種工況，然后根據以下公式組(式(1)計算出其頸部縱向應力SH、法蘭徑向應力SR、法蘭切向應力ST、最大平均應力SC和螺栓應力，計算值與ASME B16.5中的法蘭材料相關的溫度壓力表格中許用壓力進行對比。結果小于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)

螺栓應力W/Ab≤[Sb]

(1e)

Y為與K有關的系數，Z為與K有關的系數，可在標準ASME VIII Division I中查找。

(2)法蘭剛度校核。

當法蘭以許用應力極限值進行設計時，可能同時會出現由于法蘭剛度不足而導致泄漏的問題，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及工況條件，計算得出剛度系數J，根據標準要求，當J>1時，應適當增加法蘭厚度或提高法蘭磅級，以使得剛度系數J滿足小于等于1的要求[4]。但僅使用剛性指數J不能保證泄漏率在規(guī)定的限度內，此系數的使用必須僅作為系統(tǒng)接頭設計和裝配要求的一部分來考慮，需結合其他方式共同計算。

3 法蘭泄漏模型分析

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

3.1 模型基本設計參數

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，且連接復雜，易發(fā)生泄漏，應對其中的法蘭進行泄漏分析。基于特殊工況分析的ASME Ⅷ-1卷附錄2法選擇典型法蘭連接進行分析，可以驗證ASME法分析更準確，通過這種方法，能分析出關鍵部位法蘭在工況復雜時的受力情況，以PSV系統(tǒng)管道模型為基礎，結合表1和表2中的參數進行詳細介紹。

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

表1 管道設計參數Tab.1 Pipeline design parameters

表2 法蘭設計參數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。

將上述基礎數據輸入軟件，進行模擬分析計算，得出CL 150法蘭分析結果，如表3～表5。

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

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

表5 法蘭和螺栓應力(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，這樣將產生更加嚴重的后果。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2.3公式組剛度系數計算公式，計算出的法蘭剛度系數如表4所示，操作狀態(tài)下和預緊狀態(tài)下的剛度系數均小于1.0，滿足規(guī)范中對法蘭剛度的要求。

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

(4)此方法對法蘭的螺栓應力進行分析，校核螺栓是否能達到許用應力要求的范圍。螺栓的預緊應力對抑制法蘭的泄漏起著重要的作用，預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的結果可看出，在操作和預緊狀態(tài)下的螺栓應力均超過了許用應力，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進行計算，其他條件不變，計算結果如6～表8。

表6 關于不同法蘭模型的安全系數總匯Tab.6 Summary of safety factors for different flange models

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

表8 法蘭和螺栓應力(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，法蘭強度校核、剛度校核和墊片的回彈性分析以及螺栓的強度校核均滿足要求。因此，根據這種分析方法，當前工作條件下的法蘭應選用CL300的標準法蘭。

ASME Ⅷ-1卷中的方法，嚴格說是一種法蘭設計方法，由上述分析過程可以看出，此方法分析較為嚴謹，對法蘭連接的所有相關內容均進行了規(guī)定，規(guī)范中要求法蘭頸部縱向應力、法蘭徑向應力、法蘭切向應力和最大平均應力應小于相應的規(guī)定值，法蘭的剛度系數也應不大于1.0，墊片的選用也包括在內。這種方法對法蘭連接的所有元件進行綜合分析，較為全面地保證了法蘭在強度、剛度，墊片在壓縮回彈性能以及螺栓強度的安全性?？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)向和組合應力、墊片的壓縮回彈性能以及螺栓的軸向應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構的安全運行。雖其工作量相對較大，但在復雜環(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工況，均可采用ASME方法進行法蘭泄漏校核或法蘭選型，因此認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)螺栓的強度校核；(4)安裝時要控制預緊力的大小。