張軍文

(中國石化工程建設(shè)有限公司,北京100101)

螺栓法蘭連接是在壓力容器和壓力管道中廣泛應(yīng)用的連接形式【1】,由于其拆卸方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,在現(xiàn)代石化行業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛【2-4】。螺栓法蘭連接按其所對(duì)應(yīng)的專業(yè)可劃分為設(shè)備用法蘭(容器法蘭)、管道用法蘭及設(shè)備與管道相接的管口法蘭。設(shè)備和配管兩個(gè)專業(yè)在各自的法蘭設(shè)計(jì)及選用上,根據(jù)本專業(yè)的需求形成了一套相對(duì)獨(dú)立的設(shè)計(jì)習(xí)慣及所對(duì)應(yīng)的國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)體系,并在工程實(shí)踐中得到了很好的驗(yàn)證。由于設(shè)計(jì)習(xí)慣的不同,在兩個(gè)專業(yè)相接的管口法蘭處,常常會(huì)產(chǎn)生很多交叉的問題。以國內(nèi)某項(xiàng)目DN80的設(shè)備管口法蘭為例,其所接管道是催化劑返回線,設(shè)備的設(shè)計(jì)溫度為424℃,設(shè)計(jì)壓力為0.8 MPa,設(shè)備筒體材質(zhì)為14CrMoR,接管材料為P11,管口法蘭選用的是5.0MPa、密封面為RF的標(biāo)準(zhǔn)法蘭。因?yàn)榇呋瘎?duì)管道的磨損較大,為延長(zhǎng)管道使用壽命,工藝專業(yè)要求管道盡量減少彎頭的使用,并將管道壁厚等級(jí)由Sch80提升至Sch160。經(jīng)計(jì)算,管口法蘭所承受的外載分別是:徑向彎矩ML＝3801N·m,環(huán)向力矩Mc＝1040N·m,扭矩MT＝1214N·m。將該受力數(shù)據(jù)提交至設(shè)備專業(yè)確認(rèn)時(shí)發(fā)現(xiàn),管口根部可以采用提高設(shè)備筒體壁厚或加大接管壁厚的方法通過局部應(yīng)力的校核,但是管口法蘭無法通過當(dāng)量壓力法的校核,需要將管口公稱壓力由5.0 MPa提升至26.0 MPa,這樣的結(jié)果顯然不盡合理,但如果采用增加管道柔性的方式來通過管口法蘭校核,則需要增加4～5個(gè)彎頭及一定的直管段,這就相當(dāng)于為防止管口法蘭泄漏,需增加4～5個(gè)磨損點(diǎn),這么做顯然也不夠合理。在嘗試使用其他校核方法解決該問題時(shí),得出了截然不同的結(jié)果。本文在此基礎(chǔ)上通過擴(kuò)大求解范圍,得出外載作用下采用各專業(yè)不同側(cè)重的管口法蘭校核方法產(chǎn)生的不同結(jié)果,可為外載作用下小口徑管口法蘭校核方法的選擇提供一些參考意見。

1 法蘭的分類

1.1 設(shè)備用法蘭

設(shè)備用法蘭(容器法蘭)主要是指除設(shè)備管口法蘭外的設(shè)備法蘭,其設(shè)計(jì)準(zhǔn)則主要分為兩大體系,一類是以ASME為代表的美洲法蘭體系,另一類是歐盟法蘭設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)EN1591【5】。前者的設(shè)計(jì)特征是基于法蘭強(qiáng)度的計(jì)算,設(shè)計(jì)思路是首先通過墊片系數(shù)m、y確定最小墊片力,以及確定預(yù)緊和操作工況下法蘭的螺栓荷載,然后再進(jìn)行法蘭彈性強(qiáng)度校核【6】;后者是基于法蘭密封緊密度的設(shè)計(jì)方法,驗(yàn)證安裝工況和后續(xù)工況下法蘭、螺栓和墊片的緊密度和強(qiáng)度。

對(duì)于設(shè)備用法蘭,在具體工程應(yīng)用方面有如下特點(diǎn):非標(biāo)法蘭占一定比例;法蘭直徑較大;在設(shè)計(jì)過程中主要以承壓的強(qiáng)度設(shè)計(jì)為主,基本不考慮外載作用。比較有代表性的有手孔、人孔法蘭及換熱器管、殼程連接處的法蘭。手孔、人孔法蘭基本不存在外載的作用;而換熱器管、殼程連接處法蘭即便有外載作用在換熱器管口上,相對(duì)于管、殼程連接法蘭的口徑及換熱器的支撐方式來說,其外載影響效果折算至連接法蘭處也基本可以忽略。基于以上原因,設(shè)備用法蘭在設(shè)計(jì)習(xí)慣上一般不考慮外載的作用。

1.2 管道用法蘭

管道用法蘭,在此特指用于管道與管道、管道與閥門之間的連接法蘭,該類法蘭的設(shè)計(jì)選用主要以標(biāo)準(zhǔn)法蘭為主。因?yàn)榉菢?biāo)法蘭使用較少,所以法蘭的強(qiáng)度校核在管道法蘭中較少被使用及討論。而運(yùn)行過程中因管道應(yīng)力分布不均帶來的附加外力及力矩【7】是造成管道用法蘭泄漏的主要原因,需重點(diǎn)關(guān)注。但ASMEB31.3并沒有對(duì)法蘭外載的處理提出明確的方法和公式【8】,國內(nèi)石化行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也僅要求對(duì)劇烈循環(huán)工況和內(nèi)部液體為極度危害介質(zhì)的管道進(jìn)行法蘭校核【9-10】。

外載作用下法蘭的校核方法主要有當(dāng)量壓力法、NC3658.3的校核方法(以下簡(jiǎn)稱NC3658.3)、ASME SectionⅧ法蘭應(yīng)力計(jì)算方法(以下簡(jiǎn)稱ASMEⅧ)及EN1591的校核方法(以下簡(jiǎn)稱EN1591)。

1.3 設(shè)備管口法蘭

設(shè)備管口法蘭,在此特指壓力容器上與管道相接的管口法蘭。該類法蘭的設(shè)計(jì)歸屬于設(shè)備專業(yè),因其與管道法蘭相接,因此主要以標(biāo)準(zhǔn)法蘭為主,但是其設(shè)計(jì)卻是基于設(shè)備專業(yè)法蘭設(shè)計(jì)的習(xí)慣,主要進(jìn)行壓力作用下的強(qiáng)度設(shè)計(jì),較少考慮外載作用情況。SH/T 3074—2018(以下簡(jiǎn)稱SH/T3074)中關(guān)于外載作用下的法蘭校核方法僅給出了當(dāng)量壓力法,而對(duì)于小口徑的管口法蘭,在使用當(dāng)量壓力法校核時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的問題【11】。

通過上述內(nèi)容可以看出,目前主要的法蘭校核方法有:①當(dāng)量壓力法;②NC3658.3;③ASMEⅧ;④EN1591四種方法。在有外載存在的情況下,設(shè)備專業(yè)常用的是第①、③兩種方法來校核,配管專業(yè)常用的則是第①、②種方法,而第④種方法雖然兩個(gè)專業(yè)都有提及且被認(rèn)可,但是因其計(jì)算過程復(fù)雜,且屬于歐洲體系的標(biāo)準(zhǔn),在國內(nèi)工程項(xiàng)目中較少被使用。

2 外載作用下法蘭校核方法的介紹

2.1 當(dāng)量壓力法

當(dāng)量壓力法出自Kellogg工程公司,其計(jì)算公式見式(1)。

式中:Pe——計(jì)算出的當(dāng)量壓力,MPa;

P——設(shè)計(jì)內(nèi)壓力,MPa;

F——軸向力,N;

M——彎矩,N·mm;

G——墊片載荷作用位置處的直徑,mm。

該方法已被大量的工程應(yīng)用證明有足夠的安全性,但也被一些文章指出其保守性【7,12-13】。其保守的主要原因有兩點(diǎn):1)法蘭接頭是由法蘭、螺栓、墊片組成的一個(gè)密封系統(tǒng),法蘭的外彎矩是同時(shí)作用于螺栓和墊片的,作用于墊片環(huán)面的彎矩只是法蘭接頭系統(tǒng)所受外彎矩荷載的一部分;2)當(dāng)量壓力法在推導(dǎo)過程中把墊片的非均勻荷載轉(zhuǎn)化為大小均勻的作用在墊片上的拉應(yīng)力【7】,而外力矩在當(dāng)量壓力折算中占比較重,尤其是對(duì)于小口徑法蘭。

使用當(dāng)量壓力法校核本文案例中的法蘭時(shí),校核結(jié)果為許用值的445%[后續(xù)校核結(jié)果均用(計(jì)算值/許用值)×100%來表示,當(dāng)校核結(jié)果≤100%時(shí)為通過,反之為不通過],需要將法蘭公稱壓力至少提升至26.0MPa才能通過該方法的校核。

2.2 NC3658.3

NC3658.3的校核方法出自ASMEBPVCⅧDivision1NC分卷,適用于DN650(26″)以下的ASME法蘭【12】。該方法在校核時(shí)將法蘭看作一個(gè)整體,并將其應(yīng)力與法蘭材料的屈服強(qiáng)度進(jìn)行比較【14】。盡管【12-14】各種研究均在結(jié)論中指出該方法為更優(yōu)的法蘭校核方法,但是筆者認(rèn)為該方法同樣存在一定的缺陷,具體來說就是,法蘭、螺栓、墊片作為密封的三元素,該方法僅考慮了前兩者而忽略了墊片的影響。使用NC3658.3校核上述法蘭時(shí),校核結(jié)果為127.2%,且11.0 MPa法蘭校核結(jié)果與5.0MPa完全一樣,15.0 MPa法蘭的校核結(jié)果為96.83%。雖然使用NC3658.3能將法蘭公稱壓力降至15.0 MPa,但因其屬于核

電行業(yè)的校核標(biāo)準(zhǔn),且存在一定的缺陷性,所以該方法計(jì)算結(jié)果的可信度需要進(jìn)一步論證。

2.3 ASMEⅧ

該方法先把外載轉(zhuǎn)化為當(dāng)量壓力,然后用當(dāng)量壓力代替設(shè)計(jì)壓力,再用ASME方法進(jìn)行計(jì)算【8】。其主要問題有兩點(diǎn):1)標(biāo)準(zhǔn)法蘭的尺寸及溫壓曲線值并不是通過ASME的強(qiáng)度計(jì)算獲取的,部分標(biāo)準(zhǔn)法蘭自身就無法通過強(qiáng)度計(jì)算,如再加上外載所轉(zhuǎn)化過來的當(dāng)量壓力就更加無法通過強(qiáng)度計(jì)算;2)當(dāng)量壓力的折算是基于當(dāng)量壓力法,而該折算方法本身就有點(diǎn)保守。ASMEⅧ方法的可取之處在于部分法蘭可采用改變錐段或法蘭厚度的方法來通過計(jì)算。鑒于本文主要討論小口徑的標(biāo)準(zhǔn)管口法蘭,而該方法常常需要設(shè)計(jì)出非標(biāo)法蘭來解決外載超標(biāo)的問題,故本文不展開討論。

2.4 EN1591

EN1591的校核方法主要有以下幾個(gè)特點(diǎn):1)計(jì)算方法上較為先進(jìn),基本不存在理論缺陷,充分考慮了法蘭、螺栓、墊片三者的相互影響,同時(shí)還考慮了三者熱膨脹變形的影響;2)可以計(jì)算多種工況并至少需計(jì)算初始裝配、壓力試驗(yàn)及正常運(yùn)行三種工況【15-17】;3)該方法是基于法蘭密封緊密度的設(shè)計(jì)方法,既能保證泄漏率達(dá)到規(guī)定要求,又能保證法蘭的結(jié)構(gòu)完整性需求,此外,該方法使用的墊片參數(shù)由試驗(yàn)確定,確保了設(shè)計(jì)結(jié)果的可靠性【6】。使用EN1591校核上述法蘭時(shí),校核結(jié)果為41%,5.0MPa法蘭已能滿足設(shè)計(jì)要求。

3 外載作用下三種法蘭校核方法的結(jié)果對(duì)比

上述幾種方法得出的結(jié)果完全不同,差別比較大,為了能夠更好地反映出問題,本文采用當(dāng)量壓力法、NC3658.3及EN1591三種方法,對(duì)小口徑(公稱直徑DN200及以下,后續(xù)本文僅討論該部分法蘭)、低公稱壓力(15.0 MPa及以下)的管口法蘭進(jìn)行校核,并對(duì)校核結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。為簡(jiǎn)化計(jì)算,設(shè)備管口法蘭定為封頭頂部的管口法蘭,外載僅考慮對(duì)法蘭校核結(jié)果產(chǎn)生影響的軸向力、扭矩及兩個(gè)方向相等的徑向彎矩,作用在管口法蘭的外載按式(2)～式(4)取值,這些公式與SH/T3074一致。為了更好地暴露問題,b的取值參考SH/T3074附錄D中的表D.1-2并有一定增大,如表1所示。取法蘭材料為A182F11,螺栓材料為25Cr2MoVA,2.0 MPa～11.0 MPa墊片采用帶定位環(huán)的纏繞墊,15.0 MPa法蘭墊片為金屬墊,金屬材質(zhì)為5Cr-1/2Mo。計(jì)算溫度取為300℃,計(jì)算壓力按計(jì)算溫度下法蘭溫壓曲線對(duì)應(yīng)壓力的50%取值。使用EN1591方法時(shí),最大墊片工作應(yīng)力等關(guān)鍵參數(shù)取自EN1591-2,泄漏率按較高值取值,校核準(zhǔn)則按式(5)取值,當(dāng)φmax＜1時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的折算,式(5)中各符號(hào)的定義及取值詳見EN1591-1,后續(xù)所列的結(jié)果均為折算后的值。

式中:FA——軸向力,N;

b——見表1;

表1 b的取值

D——接管的公稱直徑,mm。

式中:ML——徑向彎矩,N·m。

式中:MT——扭矩,N·m。

從圖1所示的外載作用下當(dāng)量壓力法的校核結(jié)果中可以看到,用該方法校核時(shí),其結(jié)果呈現(xiàn)出以下幾個(gè)特點(diǎn):1)小口徑法蘭的校核結(jié)果都是不通過;2)2.0MPa的法蘭超標(biāo)較為嚴(yán)重,最低的也超過了300%;3)隨法蘭口徑增大,超標(biāo)值呈下降趨勢(shì),并逐漸回歸至一個(gè)相對(duì)來說比較合理的結(jié)果。產(chǎn)生這一結(jié)果的主要原因是,小口徑法蘭的墊片載荷作用位置處的直徑過小,外載尤其是力矩通過該值轉(zhuǎn)換的當(dāng)量壓力過大,從而造成校核結(jié)果的失真。這也是為什么在很多海外項(xiàng)目中一般不會(huì)用當(dāng)量壓力法來校核小口徑管法蘭的原因。

圖1 外載作用下當(dāng)量壓力法的校核結(jié)果

從圖2所示的外載作用下NC3658.3方法的校核結(jié)果中可以看出,用該方法校核法蘭時(shí),存在以下幾個(gè)特點(diǎn):

圖2 外載作用下NC3658.3方法的校核結(jié)果

1)除了2.0 MPa、DN200的法蘭外,其余法蘭的校核結(jié)果都是通過的,結(jié)果較為理想。

2)當(dāng)法蘭口徑增大時(shí),超標(biāo)值呈波動(dòng)式變化。產(chǎn)生這一結(jié)果的主要原因是該校核方法僅考慮外載對(duì)于螺栓及法蘭的影響。小口徑法蘭螺栓面積較大,可承受相對(duì)于這一口徑法蘭來說較大的外載,同時(shí)螺栓的面積也不是線性增長(zhǎng)的,有些公稱壓力相同、口徑不同的法蘭對(duì)應(yīng)同一規(guī)格和數(shù)量的螺栓(如5.0 MPa的DN65、DN80、DN100的法蘭對(duì)應(yīng)的都是8組M20的螺栓),還有些公稱壓力不同、口徑相同的法蘭也對(duì)應(yīng)同一規(guī)格和數(shù)量的螺栓(如DN65和DN80口徑下,5.0 MPa和11.0MPa法蘭對(duì)應(yīng)的都是8組M20的螺栓),這就造成公稱壓力相同、口徑不同的法蘭或者是同一口徑、不同公稱壓力的法蘭所能承受的外載是相同的或接近的,這一結(jié)果明顯不合理。在校核過程中還發(fā)現(xiàn),校核結(jié)果與外載中的力矩成線性關(guān)系,內(nèi)壓的變化對(duì)于校核結(jié)果不產(chǎn)生任何影響。由上述分析可知,NC3658.3的校核方法存在一定的理論缺陷,該方法因其對(duì)于小口徑法蘭校核結(jié)果較為理想而被廣泛使用,但是在使用過程中應(yīng)注意內(nèi)壓占比的影響。

從圖3所示的外載作用下EN1591方法的校核結(jié)果中可以看到,用該方法校核法蘭時(shí),存在以下幾個(gè)特點(diǎn):

圖3 外載作用下EN1591方法的校核結(jié)果

1)校核結(jié)果全部通過,除2.0 MPa、DN200法蘭達(dá)到60%外,其余結(jié)果均在45%以下。

2)校核結(jié)果沒有明顯的變化趨勢(shì)可言。產(chǎn)生這一結(jié)果的主要原因是,該校核方法考慮因素較多,基本上能夠?qū)Ψㄌm校核結(jié)果產(chǎn)生影響的因素都涵蓋了,因此無法呈現(xiàn)出一個(gè)明顯的趨勢(shì)。

圖4～圖7是不同公稱壓力下三種方法校核結(jié)果的對(duì)比。從圖中可以看出:對(duì)于小口徑法蘭,EN1591的校核結(jié)果最小,其次是NC3658.3,最大的是當(dāng)量壓力法;EN1591的校核結(jié)果比NC3658.3低至少30%,說明即便是將外載值增至一個(gè)較大值,使用EN1591的方法校核仍能取得較為理想的結(jié)果。

圖4 三種校核方法針對(duì)于2.0 MPa法蘭的校核結(jié)果對(duì)比

圖5 三種校核方法針對(duì)于5.0 MPa法蘭的校核結(jié)果對(duì)比

圖7 三種校核方法針對(duì)于15.0 MPa法蘭的校核結(jié)果對(duì)比

圖8～圖11給出了介質(zhì)壓力變化或外載條件變化時(shí)使用EN1591方法校核的結(jié)果對(duì)比。從圖中可以看出,無論是外載增加1倍(其余條件不變)還是壓力提高50%(其余條件不變),校核結(jié)果較之前的結(jié)果增幅都不大,不超過10%。從這一結(jié)果中可以得出:

圖8 2.0 MPa法蘭用EN1591方法校核外載或壓力提升前后結(jié)果對(duì)比

圖11 15.0 MPa法蘭用EN1591方法校核外載或壓力提升前后結(jié)果對(duì)比

1)外載或內(nèi)壓與校核結(jié)果為非線性關(guān)系;

2)內(nèi)壓或外載的變化對(duì)于不同的法蘭有不同的影響,如15.0 MPa、DN200的法蘭對(duì)于壓力變化的影響更為敏感;

圖6 三種校核方法針對(duì)于11.0 MPa法蘭的校核結(jié)果對(duì)比

圖9 5.0 MPa法蘭用EN1591方法校核外載或壓力提升前后結(jié)果對(duì)比

圖10 11.0 MPa法蘭用EN1591方法校核外載或壓力提升前后結(jié)果對(duì)比

3)對(duì)于小口徑、低公稱壓力的標(biāo)準(zhǔn)法蘭,法蘭本身留有較高的安全裕量,能夠保證法蘭在滿足內(nèi)壓條件的同時(shí)承受較大的外載。

4 結(jié)論

綜上所述,本文采用工程上常用的三種法蘭校核方法,針對(duì)小口徑、低公稱壓力的標(biāo)準(zhǔn)法蘭進(jìn)行了大量計(jì)算分析,通過對(duì)算例結(jié)果進(jìn)行對(duì)比研究,得出以下結(jié)論:

1)對(duì)于小口徑法蘭,當(dāng)量壓力法中墊片載荷作用位置處的直徑取值過小,從而造成外載尤其是力矩通過該值轉(zhuǎn)換的當(dāng)量壓力過大,進(jìn)而造成校核結(jié)果存在一定的失真,但是該方法的安全性卻有足夠的保證。筆者建議對(duì)于該范圍內(nèi)的法蘭可優(yōu)先選用當(dāng)量壓力法來校核,如無法通過,再采用其他校核方法綜合論證法蘭在外載作用下的安全性。

2)NC3658.3的校核方法僅考慮外載對(duì)于螺栓及法蘭的影響,而小口徑法蘭螺栓面積較大,可承受相對(duì)于這一口徑法蘭來說較大的外載,但是螺栓的規(guī)格和數(shù)量受限于法蘭面尺寸的影響,并非線性增長(zhǎng),這就造成公稱壓力相同、口徑不同的法蘭或者是同一口徑、不同公稱壓力的法蘭所能承受的外載是相同的或接近的。同時(shí)該校核方法的校核結(jié)果與外載中的力矩成線性關(guān)系,而內(nèi)壓的變化對(duì)其不產(chǎn)生任何影響。該方法存在一定的理論缺陷,在使用過程中應(yīng)注意內(nèi)壓的影響。

3)采用EN1591方法校核的結(jié)果比上述兩種方法更理想。采用該方法校核時(shí),外載或內(nèi)壓與校核結(jié)果為非線性關(guān)系。小口徑、低公稱壓力的法蘭本身留有較高的安全裕量,能夠保證其在滿足內(nèi)壓條件的同時(shí)承受較大的外載。雖然計(jì)算結(jié)果較為理想,但是也需注意,該方法在國內(nèi)工程項(xiàng)目中應(yīng)用較少,適用性和可靠性需要進(jìn)一步論證,切不可盲目追求計(jì)算結(jié)果的理想化而忽視其合理性。