劉萬朋，施哲雄，何榮娥，周 陽(yáng)

(華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院, 上海 200237)

0 引 言

塔設(shè)備是石油化工裝置中常見的設(shè)備，在生產(chǎn)中占有十分重要的地位.一些中低壓工作狀態(tài)下的塔設(shè)備為了拆裝方便，往往采用法蘭連接，然而法蘭連接處又是塔設(shè)備發(fā)生泄漏的潛伏點(diǎn)，且工作介質(zhì)一般情況下具易燃易爆有毒的特點(diǎn)，一旦發(fā)生泄漏或者其他的失效形式，后果將會(huì)十分嚴(yán)重，所以科學(xué)合理的法蘭校核方法對(duì)保證塔設(shè)備的安全運(yùn)行顯得尤為重要.

法蘭連接是一個(gè)連接系統(tǒng)，它是由法蘭對(duì)、螺栓、螺母和墊片組成的[1].塔節(jié)通過法蘭用螺栓連接在一起，靠螺栓連接來增加法蘭和墊片之間的壓緊力，使墊片表面產(chǎn)生塑性變形或彈性變形，阻隔了塔內(nèi)流體或氣體介質(zhì)可能外溢的通道，從而保證連接處的密封性.因此，塔設(shè)備連接法蘭的校核要兼顧應(yīng)力和應(yīng)變兩個(gè)方面，既要保證法蘭連接系統(tǒng)的強(qiáng)度要求，同時(shí)還要保證法蘭連接可靠的密封性.

1 失效機(jī)理

研究的對(duì)象為某公司塔設(shè)備腐蝕最嚴(yán)重且風(fēng)彎矩相對(duì)較大的一個(gè)法蘭，其腐蝕機(jī)理主要是保溫層下腐蝕(CUI).通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，可以發(fā)現(xiàn)腐蝕嚴(yán)重的部位保溫不合理，造成保溫層內(nèi)含有大量的積水無法排出，且塔的工作溫度在35 ℃左右，在易發(fā)生保溫層下腐蝕的溫度范圍內(nèi)(-12 ℃～117 ℃)[2]現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景如圖1所示.

圖1 現(xiàn)場(chǎng)照片F(xiàn)ig.1 Scene photos

從現(xiàn)場(chǎng)照片上可以看出法蘭、螺栓腐蝕嚴(yán)重，并且塔內(nèi)的工作介質(zhì)為二氯乙烷，屬于易燃易爆有毒性氣體，一旦發(fā)生失效，后果影響范圍將會(huì)很大.因此，對(duì)該塔連接法蘭進(jìn)行科學(xué)合理的校核迫在眉睫.

2 有限元分析

傳統(tǒng)的法蘭設(shè)計(jì)和校核，國(guó)內(nèi)參考的標(biāo)準(zhǔn)主要是GB150[3]和JB4710[4]，在該準(zhǔn)則中，假設(shè)法蘭和墊片是剛性的，用剛性方程來描述它們的力學(xué)特征，并且準(zhǔn)則中所計(jì)算主要是強(qiáng)度計(jì)算，并不考慮外部載荷的影響和法蘭的泄漏問題，而在實(shí)際情況下，由外部載荷造成的法蘭泄漏也是常見的失效形式[5].接下來將通過有限元分析軟件(AxiPRO)來對(duì)塔設(shè)備連接法蘭在外部載荷作用下的強(qiáng)度和剛度要求進(jìn)行計(jì)算.

2.1 法蘭參數(shù)

法蘭是一個(gè)連接系統(tǒng)[6]，在有限元計(jì)算過程中，需要對(duì)法蘭、螺栓、螺母及墊片進(jìn)行深入的研究，有關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示，法蘭零件圖如圖2所示.

圖2 法蘭剖視圖Fig.2 Cutaway view of flange

根據(jù)法蘭的計(jì)算壓力、設(shè)計(jì)溫度和材料種類，結(jié)合HG20625(美洲體系)[7]可以確定法蘭的等級(jí)為PN2.5 MPa(class 150)的帶頸平焊法蘭；螺栓為高強(qiáng)度螺栓，公稱抗拉強(qiáng)度為800 MPa，屈服強(qiáng)度為640 MPa；根據(jù)HG20606[8]可確定墊片為凸凹面墊片.

具體設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示.

表1 設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parametres

表2 法蘭和墊片參數(shù)一覽表Table 2 Flange & gasket parameters

由表1和2可以看出，連接螺栓和法蘭的選用均滿足HG20593[9]標(biāo)準(zhǔn).

2.2 分析模型

接螺栓d=20.45 mm，法蘭最大厚度δ=24.1 mm.

2.3 網(wǎng)格劃分

法蘭連接系統(tǒng)中涉及到法蘭對(duì)、螺栓和墊片的網(wǎng)格劃分，有限元軟件中默認(rèn)的網(wǎng)格劃分是3×3的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，為了得到更貼近實(shí)際的力學(xué)結(jié)果和更詳細(xì)的墊片應(yīng)力分布情況，采用4×4的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)格質(zhì)量0.72，共劃分8 949個(gè)單元，10 293個(gè)節(jié)點(diǎn).

圖3 有限元模型Fig.3 Finite element model

2.4 載荷施加

在分析中，主要考慮軸向應(yīng)力、地震載荷和由風(fēng)載、雪載等產(chǎn)生的外部彎矩載荷影響.在各種法蘭設(shè)計(jì)和校核標(biāo)準(zhǔn)中，都沒有明確規(guī)定外部載荷和許用應(yīng)力的關(guān)系，ASME SECⅧ Div1 中規(guī)定“所設(shè)計(jì)法蘭應(yīng)該足夠強(qiáng)度以承受外部載荷”[10]，GB150中也沒有做明確的規(guī)定，只是在API 605《大口徑碳鋼法蘭》中明確規(guī)定溫度-壓力等級(jí)表中的法蘭應(yīng)該能夠承受與其相連管道許用應(yīng)力一半所對(duì)應(yīng)的外部彎矩[11].實(shí)際失效案例中，外部彎矩是造成法蘭泄漏的一個(gè)主要原因.在分析中，取內(nèi)壓P=1.1 MPa，外彎矩M=13 648 152 N·mm，軸向載荷F=47 326.5 N(外彎矩和軸向載荷為SW6軟件計(jì)算結(jié)果)計(jì)算參數(shù)如表3所示.

表3 塔設(shè)備SW6計(jì)算參數(shù)表Table 3 SW6 calculation parameters for tower

3 法蘭計(jì)算結(jié)果分析

塔設(shè)備連接法蘭要保證法蘭連接系統(tǒng)的強(qiáng)度要求和法蘭連接可靠的密封性，所以法蘭的校核要從應(yīng)力和應(yīng)變兩個(gè)方面進(jìn)行分析.

3.1 強(qiáng)度校核

法蘭連接系統(tǒng)的強(qiáng)度校核主要是通過等效應(yīng)力確定危險(xiǎn)區(qū)域，然后對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，最后將計(jì)算結(jié)果與許用應(yīng)力比較，進(jìn)而確定法蘭連接系統(tǒng)組件是否滿足強(qiáng)度要求，通過有限元軟件計(jì)算得到法蘭螺栓的應(yīng)力結(jié)果如圖4所示.

從圖4中可以看出，兩種工作狀態(tài)下，對(duì)于法蘭來說，較大應(yīng)力都集中在法蘭和塔節(jié)的連接處及法蘭的錐頸處；對(duì)于螺栓和螺母來說，螺柱與螺孔的接觸面和螺柱與螺母的接觸面應(yīng)力較大，且外部彎矩對(duì)螺栓的應(yīng)力改變不是很大.

對(duì)法蘭危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，可得到最大應(yīng)力.

即：① 預(yù)緊狀態(tài)下σmax1=166.062 MPa

② 操作狀態(tài)下 σmax2=182.060 MPa

則

σmax=max(σmax1，σmax2)=182.060 MPa<1.5

[σ]=244.3 MPa(GB150-1998)

校核合格對(duì)螺栓危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，可得到最大應(yīng)力，如表4所示.

螺栓等級(jí)為8.8級(jí)，由此可知其抗拉強(qiáng)度為800 MPa，所以螺栓的許用應(yīng)力為

[σ]=267 MPa

螺栓計(jì)算應(yīng)力均小于許用應(yīng)力，即螺栓滿足強(qiáng)度要求.

表4 螺栓計(jì)算應(yīng)力Table 4 Calculation stress of bolts

3.2 密封性校核

3.2.1 校核結(jié)果 法蘭因剛度造成的失效主要是介質(zhì)泄漏[12]，這也是法蘭在實(shí)際應(yīng)用中最主要的失效形式.ASME Ⅷ Div1和GB 150的法蘭校核只是關(guān)于強(qiáng)度的校核，并不考慮法蘭的剛度校核，即法蘭的泄漏問題.這樣誤導(dǎo)人們認(rèn)為只要滿足了強(qiáng)度要求，理論上就不會(huì)泄漏，且在面對(duì)法蘭的泄漏問題時(shí)，缺少計(jì)算依據(jù)和定量的計(jì)算，只能憑經(jīng)驗(yàn)處理法蘭泄漏問題.

考慮到法蘭、墊片和工作介質(zhì)，法蘭的泄漏校核主要從法蘭的剛度因子、墊片外邊緣應(yīng)力和介質(zhì)泄漏流量及外邊緣泄漏介質(zhì)最小可檢測(cè)量三個(gè)方面進(jìn)行考查，校核結(jié)果如表5所示.

表5 剛度校核結(jié)果Table 5 Results of rigidity check

注： 1.分析所選用的代表性流體為氯甲烷;2.允許值由ASME標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，工作介質(zhì)泄漏允許值來源于EPA/API.

3.2.2 泄漏預(yù)判斷方法及應(yīng)用 法蘭泄漏是一個(gè)非常復(fù)雜的問題，涉及到法蘭形式、法蘭等級(jí)、墊片屬性、螺栓以及相對(duì)剛度、預(yù)緊力、法蘭溫度梯度和外部載荷等因素[13-14]，并且墊片應(yīng)力在外部載荷作用下的變化是個(gè)高度非線性的復(fù)雜問題，所以對(duì)法蘭在操作工況且有外部彎矩作用下的泄漏進(jìn)行預(yù)判斷，是非常困難的.然而，無論是在法蘭設(shè)計(jì)中，還是法蘭校核中，對(duì)法蘭泄漏情況進(jìn)行定量預(yù)判斷都有著非?，F(xiàn)實(shí)的意義.像ANSYS、Abaqus等有限元軟件解決這類問題計(jì)算過程比較復(fù)雜，下面主要是結(jié)合專門用于法蘭連接分析的有限元軟件(AxiPRO)對(duì)法蘭泄漏預(yù)判斷方法的探討及應(yīng)用，該軟件采用的是ASME BFJ(Bolted Flange Joint)法則和墊片非線性屬性模型.

由文獻(xiàn)可知：依據(jù)墊片的應(yīng)力分布可以推斷法蘭的泄漏情況及泄漏趨勢(shì)[12].所以選擇墊片的應(yīng)力分布作為法蘭泄漏預(yù)判斷的依據(jù)，具體判斷步驟如下：

(1)確定墊片的最大應(yīng)力要求和最小應(yīng)力要求墊片的最小應(yīng)力要求是保證法蘭連接不泄漏的最低標(biāo)準(zhǔn)，最大應(yīng)力要求是保證墊片有效性能的最大值.

實(shí)例中，通過軟件計(jì)算可得墊片的最小應(yīng)力要求為6.201 MPa(保證密封性)，最大應(yīng)力要求為151.580 MPa(保證墊片正常的力學(xué)性能).

(2)分析墊片的應(yīng)力分布情況

實(shí)例中墊片的應(yīng)力分布情況如圖5所示.

圖5 墊片應(yīng)力分布Fig.5 Gasket stress distributions注：

由圖5可知：①在預(yù)緊狀態(tài)下，墊片的應(yīng)力分布沿徑向由內(nèi)向外逐漸增大，外邊緣最大應(yīng)力約59 MPa，位于螺栓的連接部位，此處由于螺栓預(yù)緊力的作用使得墊片應(yīng)力最大.②在操作狀態(tài)下，受壓側(cè)墊片外邊緣的最大應(yīng)力上升到65 MPa，受拉側(cè)降到51 MPa.

(3)預(yù)判斷墊片的泄漏情況

由步驟(2)的分析結(jié)果可知：極端情況下的墊片應(yīng)力分布都在許用應(yīng)力范圍內(nèi)，理論上不會(huì)泄漏，即使要泄漏的話，泄漏最易發(fā)生在以1#螺栓(迎風(fēng)側(cè))為中心順時(shí)針偏轉(zhuǎn)18°和逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)18°的地方.

除此之外，還可以通過分析有限元軟件的計(jì)算結(jié)果，尋查法蘭的泄漏原因.眾所周知，塔設(shè)備連接法蘭的泄漏主要與法蘭剛度、墊片類型、安裝質(zhì)量、螺栓預(yù)緊力和外部載荷等因素有關(guān)，可以控制單一因素，用有限元分析軟件進(jìn)行計(jì)算分析，尋查具體情況下的法蘭泄露原因，若是墊片選擇問題，可以考慮更換墊片；若是安裝問題，可以考慮提高安裝質(zhì)量；若是螺栓預(yù)緊力不夠，可以緊固螺栓；若是外部載荷過載，可以考慮降低外部載荷.

4 結(jié) 語(yǔ)

a. 在組合載荷的作用下，較大應(yīng)力集中在法蘭和塔節(jié)的連接處、法蘭錐頸處、螺柱與螺孔的接觸面和螺柱與螺母的接觸面上；

b. 外部彎矩的變化對(duì)螺栓應(yīng)力的影響不是很大，主要是引起墊片應(yīng)力的再分布；

c. 墊片在外部彎矩的作用下，應(yīng)力分布沿徑向由內(nèi)到外應(yīng)力逐漸增大，最大應(yīng)力集中在墊片的外邊緣；

d. 外部彎矩下的法蘭泄漏預(yù)判斷問題可以參考有限元的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，該判斷方法簡(jiǎn)單易操作；

e. 運(yùn)用有限元軟件進(jìn)行計(jì)算分析，可以尋查法蘭泄漏原因，為解決法蘭泄漏問題提供理論依據(jù)及更佳解決方案.

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