張建，付曉東，王燕，文心睿，張劍歌

（中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司華北分公司，河北 任丘 062550）

法蘭是工業(yè)生產(chǎn)中普遍使用的管道、設(shè)備連接件，同時(shí)也是管道系統(tǒng)受力的薄弱環(huán)節(jié)。法蘭選型設(shè)計(jì)以及安裝不當(dāng)極易產(chǎn)生泄漏。儲(chǔ)氣庫(kù)模塊裝置具有高溫高壓的特點(diǎn)，模塊間接口法蘭一旦密封失效，將對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過程產(chǎn)生嚴(yán)重影響，因此，進(jìn)行管道應(yīng)力分析對(duì)于保證管道系統(tǒng)安全具有重要意 義[1]，在儲(chǔ)氣庫(kù)模塊化裝置的壓力管道設(shè)計(jì)中，必須對(duì)法蘭進(jìn)行泄漏性校核。

1 法蘭泄漏的危害及防控措施

1.1 法蘭泄漏的形式及危害

法蘭泄漏通常分為滲透泄漏和界面泄漏兩種。滲透泄漏和墊片的材質(zhì)結(jié)構(gòu)、介質(zhì)的工作壓力、介質(zhì)的物理特性有關(guān)；界面泄漏的主要影響因素包括：墊片承受的螺栓預(yù)緊力、腐蝕介質(zhì)對(duì)墊片的侵蝕、法蘭承受過高的彎曲載荷或剪切力、介質(zhì)熱脹冷縮或振動(dòng)使法蘭與墊片間產(chǎn)生間隙等。

法蘭泄漏在生產(chǎn)中出現(xiàn)事故的比例最高，可能引發(fā)爆炸、火災(zāi)、人員傷亡等重大安全事故。法蘭界面泄漏相比滲透泄漏而言危險(xiǎn)性更高、危害更大。

1.2 法蘭泄漏的防控措施

對(duì)于危險(xiǎn)性較高的特殊介質(zhì)，在確定設(shè)計(jì)輸入條件時(shí)，可以適當(dāng)提高管道及法蘭的設(shè)計(jì)壓力等級(jí)，同時(shí)選用高規(guī)格的法蘭材質(zhì)以達(dá)到加強(qiáng)法蘭密封效果的目的[2]。對(duì)于管道系統(tǒng)敏感部位還應(yīng)采用專業(yè)的應(yīng)力分析軟件進(jìn)行法蘭泄漏性校核。

施工質(zhì)量是工程建設(shè)質(zhì)量控制的重要環(huán)節(jié)，法蘭焊接施工質(zhì)量問題、法蘭本體規(guī)格材料問題都會(huì)誘發(fā)泄漏[3-6]。法蘭組對(duì)安裝前，應(yīng)保持法蘭面潔凈、無污漬。組對(duì)時(shí)不得出現(xiàn)偏口，要保證平行度和同軸度，同時(shí)螺栓孔應(yīng)對(duì)齊。緊固螺栓時(shí)應(yīng)對(duì)稱進(jìn)行，防止翹頭。管道投運(yùn)后應(yīng)定期檢查、維護(hù)法蘭、墊片和緊固件[7]。

2 法蘭泄漏校核的原理及方法

目前，國(guó)內(nèi)外大部分工程公司均采用CAESARII管道應(yīng)力分析軟件進(jìn)行管道應(yīng)力計(jì)算[8]。CAESARII軟件中有兩種法蘭泄漏分析計(jì)算方法，分別是Peq的當(dāng)量壓力法和NC-3658.3 最大屈服強(qiáng)度法[9-10]。

2.1 Peq 的當(dāng)量壓力法

Peq 的當(dāng)量壓力法源于Kellogg 工程公司，經(jīng)工程實(shí)踐證明安全可靠。該計(jì)算方法是將外部載荷等效為法蘭軸向應(yīng)力，然后再疊加上設(shè)計(jì)壓力，與法蘭工作溫度下的許用應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比，如果小于許用應(yīng)力則合格。

根據(jù)GB/T 20801.3—2020《壓力管道規(guī)范》[11]中關(guān)于管法蘭及法蘭蓋的壓力設(shè)計(jì)規(guī)定，采用當(dāng)量壓力替代法蘭的設(shè)計(jì)壓力進(jìn)行計(jì)算，將其所受的軸向力和力矩轉(zhuǎn)換成當(dāng)量壓力施加于法蘭上。

軸向力轉(zhuǎn)換成當(dāng)量壓力計(jì)算：

力矩轉(zhuǎn)換成當(dāng)量壓力計(jì)算：

當(dāng)管法蘭承受外加軸向力或外加彎矩時(shí)，按式（3）計(jì)算其當(dāng)量總壓力pe，并以當(dāng)量總壓力替代設(shè)計(jì)壓力進(jìn)行計(jì)算校核。

式中：pe—作用于法蘭的當(dāng)量總壓力，MPa；

p—設(shè)計(jì)壓力，MPa；

F—軸向力，N；

M—彎矩，N·mm；

DG—墊片壓緊力作用中心圓直徑，mm。

公式的推導(dǎo)過程可以參考HG 20645.5—1998《化工管道機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》306 頁(yè)[12]。

當(dāng)量總壓力pe是法蘭在工作溫度下的總當(dāng)量壓力，即考慮了外載荷的作用，是判定法蘭是否安全的重要依據(jù)，pe的值應(yīng)取絕對(duì)值。

計(jì)算結(jié)果應(yīng)滿足下式

式中：pt

max—法蘭的許用應(yīng)力，是法蘭安全性的重要指標(biāo)，可由法蘭壓力-溫度曲線查取。

2.2 NC-3658.3 最大屈服強(qiáng)度法

NC-3658.3 法蘭校核公式的判斷標(biāo)準(zhǔn)為運(yùn)行工況下管道系統(tǒng)作用于法蘭的彎矩和扭矩應(yīng)小于法蘭的最大許用力矩。計(jì)算公式如下：

Mb—最大許用力矩，kN·m；

Sy—相應(yīng)溫度下材料的屈服強(qiáng)度，kPa；

C—螺栓圓直徑，m；

Ab—總螺栓孔開洞面積，m2。

ASME NC-3658.3 適用于高強(qiáng)度螺栓（當(dāng)溫度為38 ℃時(shí)Sy≥138 MPa）的法蘭連接。

3 裝置間接口法蘭泄漏校核實(shí)例

3.1 設(shè)計(jì)條件

工程項(xiàng)目中高溫高壓工況下的法蘭為易泄漏點(diǎn)，應(yīng)進(jìn)行法蘭泄漏性校核，以某儲(chǔ)氣庫(kù)工程為例，工藝裝置區(qū)模塊由七個(gè)單元組成，相鄰單元之間的管道通過法蘭進(jìn)行連接。其中過濾分離及外輸單元的管道布置如圖1 所示。

圖1 儲(chǔ)氣庫(kù)模塊化裝置管道布置圖

管道設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 管道設(shè)計(jì)參數(shù)

3.2 Peq 的當(dāng)量壓力法校核

1）完成管道建模后，選取需要進(jìn)行法蘭校核的節(jié)點(diǎn)。本案例需要對(duì)法蘭節(jié)點(diǎn)10（見圖1）進(jìn)行泄漏性校核。

2）法蘭校核的參數(shù)設(shè)置。第1 步，選擇法蘭泄漏性校核的方法；第2 步設(shè)置法蘭溫壓曲線以及墊片的有效直徑（注：用戶可以直接調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)，也可手動(dòng)輸入）。

3）激活法蘭泄漏校核模塊，如圖2 所示。

4）查看法蘭泄漏性校核結(jié)果。

從表2 法蘭校核結(jié)果可以看出，節(jié)點(diǎn)10 法蘭校核已通過。

表2 Peq 法蘭校核結(jié)果

3.3 NC-3658.3 最大屈服強(qiáng)度法校核

1）首先獲取螺栓圓直徑C值，C值在CAESAR II 中單位為mm；計(jì)算總螺栓孔開洞面積Ab值，Ab在CAESAR II 中單位為mm2。

在本案例中，通過查詢《ANSI_B16.5》可得C=203.2 mm，螺栓孔直徑為31.70 mm，共8 個(gè)，Ab=6313.9 mm2。

2）查詢法蘭材料的屈服強(qiáng)度。本案例法蘭材料為ASTM A182 F51，查詢《ASTM A182》可得，最小屈服強(qiáng)度為450 MPa。

應(yīng)用NC-3658.3 進(jìn)行法蘭泄漏性校核的前提是（Sy/246 960）≤1，而本案例中Sy/246 960= 450 000/ 246 960=1.8＞1，因此，本案例不能應(yīng)用NC-3658.3進(jìn)行法蘭泄漏性校核。

3）如果Sy/246 960≤1，把螺栓圓直徑C值，總螺栓孔開洞面積Ab值以及法蘭材質(zhì)的屈服強(qiáng)度輸入到CAESAR II 的法蘭參數(shù)表中，便可以進(jìn)行法蘭泄漏性校核。

4 結(jié) 論

1）本文介紹了法蘭泄漏性校核的兩種常用方法和原理，并以案例的形式詳細(xì)描述了應(yīng)用CAESAR II 進(jìn)行法蘭泄漏性校核的操作步驟與注意事項(xiàng)，同時(shí)明確了軟件計(jì)算參數(shù)的選取、數(shù)據(jù)來源，對(duì)開展儲(chǔ)氣庫(kù)模塊化裝置管道應(yīng)力分析工作的工程師能夠起到指導(dǎo)作用。

2）NC-3658.3 最大屈服強(qiáng)度法進(jìn)行法蘭泄漏性校核是有限制條件的，應(yīng)用時(shí)要加以注意。

3）當(dāng)量壓力法的安全性已被大量工程實(shí)踐所證明，因此工程中采用當(dāng)量壓力法校驗(yàn)或選用法蘭可以滿足大部分要求。