压力管道设计中法兰校核方法探讨

压力管道设计中法兰校核方法探讨张旭【摘要】分析了压力管道设计中选择法兰常用的工程方法，指出其方法的不足，通过分析和实例，提出了同时考虑法兰强度和预判法兰泄漏的工程方法.【期刊名称】《石油和化工设备》【年（卷），期】2010（013）008【总页数】5页（P5-9）【关键词】法兰;当量压力;应力计算;剩余强度;泄漏预判【作者】张旭【作者单位】福陆（中国）工程建设有限公司，上海,201103【正文语种】中文在压力管道设计中，经常遇到需要对法兰进行强度和刚度校核的问题。法兰是少数需要同时兼顾应力和应变的管道部件之一。法兰连接的设计涉及到法兰本身、垫片、螺栓及许用值确定等因素，特别是在介质有毒有害的情况下。在一定的管道尺寸和压力以及温度组合条件下，刚度校核就更有必要。在现代石化工程设计中常用的方法有两类：当量压力法和应力计算法。此法出自著名工程公司Kellogg，简单明了，已被大量的工程应用证明具有足够的安全性，也为我国GB/T20801所采用。对于承受内压和外部载荷的法兰（如图1），其本质是把轴向应力控制在一个非常保守的范围内，所有外部载荷被认为作用在垫片上。轴向力当量化为作用于垫片上的压力：管道弯矩当量化为作用于垫片上的压力：得出总的当量压力：以上公式中螺栓力没有反映，认为外部载荷完全作用于垫片之上，所得当量压力与法兰标准温度压力等级表对照，如果小于表内压力则为合格。此法简单可靠，在各工程公司使用已经三十多年，甚至在核工业规范NC3658中也被采用，但是过于保守。原因在于：外卜部载荷实际上并不只作用于垫片，外卜部载荷在垫片处产生的最大应力是在最外边沿处，而由压力产生的应力是均匀分布的，见图2所示。当等级表内压力作为当量压力作用在法兰上，法兰和垫片的应力并不知道，即这个许用压力的保守程度并没有量化反映。下面通过实例说明。南京某项目详细设计中某工艺管道中采用碳钢锻制法兰，设计工况：设计压力Pd=1.28，设计温度Td=185°C，由管路弓I起的夕卜载：M=7071N.m，无外部轴向力。按当量压力法选择标准法兰有两个途径：一是不考虑外部载荷，直接依据设计压力温度和材料分类按照HG20625(美洲体系)确定法兰等级为PN2.0MPa(Class150),这个方法从上世纪30年代就开始在美国得到应用，被大量工程实践证明有足够的可靠性。二是按照公式(1)(2)(3)得出总的当量压力，再对照温度压力等级表确定法兰等级为PN11.0MPa(Class600)。可以看出二者差别很大，由于B31.3并没有对法兰处外部载荷的处理提出明确的方法和公式，所以对于现场实际存在的安全运行的法兰，很多在选定过程中并没有考虑由管路引起的外部弯矩，可见按第二种方法处理是过于保守的，并没有考虑到规范中温度压力等级表本身具有的安全裕度，也即法兰在承受等级表中许用压力时仍然具有相当的剩余强度以抵抗外部载荷。要量化剩余强度必须进行应力计算，在应力计算法中可以通过对比看到剩余强度。近二十年石化工程中常用的法兰应力计算方法是依据ASMEWDiv1Appendix2和ASMEWDiv2Appendix3,实质上都是源自Taylor-Forge方法，我国GB150中法兰设计部分也是这个方法，不直接考虑作用在法兰上的外部载荷，很多情况下外部载荷必须在设计中考虑，可以通过先把外部载荷转化为当量压力，再用总的当量压力代替设计压力，GB/T20801也推荐了这种处理原则。该原则主要控制法兰颈部轴向应力，法兰环径向应力，法兰环切向应力，表1是以上例子按ASMEWDiv1计算所得结果。表中：Sh—法兰颈部轴向应力；Sr—法兰环径向应力；St—法兰环切向应力：Sc—法兰组合应力；应力计算结果表明，标准法兰温度压力等级的制定留有充分的剩余强度，从法兰强度看，即使在选用法兰等级时不考虑外部载荷，所选PN2.0MPa法兰也能承受相当的外部荷载。由于石化工程中管路走向复杂多变，如果不进行应力计算只是按照当量压力确定温度压力等级，在同一管路中往往会出现相同管径和操作温度压力下而采用不同压力等级法兰的情况，造成工程成本上升。正是由于标准法兰等级提供的剩余强度，应力计算法即使没直接涉及外部载荷，经大量工程实践证明是可行的。3.1标准法兰我国HG20625及美国B16.5都没有明确指出温度压力等级表中剩余强度的确定，笔者按照ASMEWDiv1，对PN5.0MPa(Class300)级标准法兰进行分析计算，温度200°C，材质20#钢，垫片为不锈钢缠绕垫片，螺栓为CrMo钢，将等级表中的许用压力作用其上，分别以法兰颈部轴向应力、法兰环径向应力、法兰环切向应力以及法兰组合应力和其许用值为参数得到对比曲线，见图3-6。从图中可以看出，随着管径增大，剩余强度总的趋势是减少，因此在管道设计中大直径法兰的选用应该经过应力计算而不是简单地根据当量压力选用。从图中可以看出同一级别不同公称尺寸的标准法兰都有一定的剩余强度。此剩余强度可以反推到等效弯矩，以法兰组合应力为控制因素反推得到的对于剩余强度的弯矩如图7，可以看出管道公称直径达到DN600时剩余强度对应的弯矩有很大下降。同时还应指出，对于锥颈对焊法兰，由于法兰内径与对焊管子内径一致，所以剩余强度还受管子壁厚影响，在实践中，相连管道破坏往往发生在法兰失效之前。3.2非标法兰在工程实践中有时会遇到非标法兰设计或校核问题。为了承受管道系统施加的外部载荷也应考虑剩余强度。在各种法兰设计方法中并没有明确规定剩余强度应该取多大，ASMESECWDiv1只是规定：〃所设计法兰应该具有足够强度以承受外部荷载”，我国的法兰规范没有对剩余强度作明确说明，B16.5也没有，只有API605《大口径碳钢法兰》，明确规定温度压力等级表的法兰应该能承受与法兰相连管道许用应力的一半对应的外部弯矩。大量实践证明，这个规定是保守可行的，对管道系统中非标法兰的设计也可以引用。由于按应力计算法，法兰尺寸主要由压力控制，所以对非标低压法兰的设计，要特别注意外部弯矩的作用。泄漏是法兰在应用中最主要的失效形式，ASMEWDiv1所提出的应力计算过程只是关于强度校核的，并没有涉及到法兰泄漏校核的刚度分析。也就是说，即使强度校核完全满足要求，也不能在理论上保证不发生泄漏。现代石化工程规模越来越大，管道布置设计工作量很大，工程进度往往要求材料采购在设计完成之前进行，对法兰压力等级的确定在控制成本的前提必须有一定的安全裕度，所以定量预测法兰在外部弯矩作用下的泄漏情况具有现实意义。法兰泄漏是个复杂问题，涉及到法兰形式、等级、垫片、螺栓以及相对刚度、预紧应力、法兰温度梯度、夕卜部载荷等因素，所以预测在操作工况，夕卜部载荷的作用下法兰泄漏是困难的，一直缺少一个统一的简单适用的工程方法，下面主要讨论外部弯矩对法兰泄漏的影响。当量压力法、标准法兰温度压力等级表和ASMEWDiv1&Div2,都没有处理在夕卜部载荷作用下预测泄漏的问题。如果按照温度压力等级表选择法兰，对于法兰泄漏的预判在理论上存在不严密性，在同等受载条件下，泄漏主要由刚度影响而不是强度，材料刚度的主要表征是弹性模量，而等级表是通过应力分析按不同材料许用应力制定，不同牌号的钢材具有不同的许用应力却具有近似一样的弹性模量，这就会出现同样尺寸、形式、受载条件的法兰，若材料牌号不同，对泄漏趋势的判断会完全不同，这与实际情况是不相符的。ASMEWDiv1是常用的应力分析法，也是按许用应力为控制条件的强度设计方法，意识到法兰偏转会造成泄漏引起系统失效，作为改进，提出了刚度因子J对于整体带颈法兰：J=(52.14MOV)/(0.3LEgo2ho)<1,0.3为允许偏转角度。MO—预紧或者操作状态，作用于法兰的总弯矩；L一系数；V一整体法兰对应系数；go一法兰颈部小端厚度；ho一系数控制法兰环在螺栓和介质压力载荷作用下的偏转。法兰环偏转是造成泄漏的重要原因，包括GB/T20801在内的一些工程标准采用了这个做法，但是并没有考虑外部载荷弯矩与泄漏的关系。ASMEB31MechanicalDesignCommittee提出了一个简单公式，计算造成泄漏的临界弯矩：P一介质压力(MPa);AP—垫片接触外圆面积(mm2);C一螺栓圆直径(mm);Sb—螺栓应力(MPa)这个公式在一定范围内得到应用。笔者认为存在疑问，实践证明外部弯矩的变化并不会引起螺栓力的显著变化，而主要是引起垫片应力的再分布，也就是说弯距主要由垫片承担，C是螺栓圆直径，显然是不合理的。假设垫片在所有载荷作用下保持相对刚性，这样处理是保守的。要保证在外部弯矩作用下法兰不至发生泄漏，就必须确保作用在垫片上的压力达到一个最小值，按ASMEWDiv1,这个值为m(2b)nGP(操作工况)，单位面积上的压力FGmin=mp。要考察垫片应力在外部弯矩作用下的变化比较困难，这是个高度非线性的接触问题，涉及法兰环、螺栓和垫片的相对刚度。工程上为了简化问题，以垫片的受力分析作用法兰泄漏预判的依据，垫片在纯弯矩作用下的截面应力分布可以采用与管道一样的分布特征，这样处理是合理可靠的，如图2所示，引入虚拟拉伸的概念，因为事实上并不存在对垫片的拉伸作用，但是外部弯矩在管道受拉侧使作用在垫片上的密封压力减小有产生泄漏的趋势，所以这样处理在工程上是保守和可行的，同时又避免了复杂的接触问题，即使采用有限元分析（FEA），接触问题的边界条件建立也是很困难的。以下是公式推导，在外部弯距M作用下，垫片所有圆环截面都保持平面状态，即处于纯弯受载，应力沿截面分布如图2所示，在极端位置处由〃虚拟拉伸”产生的应力为：螺栓力作用下的垫片应力：垫片在介质压力、螺栓载荷和弯矩作用下的压力为：由式（1）（2）（3），要防止泄漏，弯矩需满足以下条件：G一垫片作用力直径；AB—螺栓根部总断面；SOP—操作状态下螺栓应力：b—垫片密封宽度；m一垫片系数（注：当P为设计压力时，SOP用按规范的螺栓设计应力替代）对PN2.5（Class300）系列标准法兰进行了验算，结果如表2，除DN600夕卜均满足要求，除以一个安全系数2，最小应力45MPa，对安装锥颈对焊法兰的管道，连接处管道轴向应力可以近似等于锥颈小端轴向应力，在采用CII,AutoPIPE等常用软件进行管道应力分析时可以方便地得到管道任何位置由于弯矩产生的轴向应力，所以可以得到一个很有用的判断方法：管道轴向应力小于45Mpa就可以不对法兰作其它验算了。由于实际对其它等级的标准法兰同样适用，验算结果不再螯述。对比图7和表2,按照温度压力等级表选择的法兰在承受许用内压之外的具有的剩余强度对应的弯矩比ML大很多。所以对某些关键管路法兰的泄漏弯矩ML的计算是必要的。一般来说，按照中外法兰标准中温度压力等级表选择法兰具有足够的强度和刚度，但是实际中法兰形式和工况的多样性使得采用更有确定性的方法成为必要。为了考虑外部载荷的影响，按照常用的当量压力法依据温度压力表选择法兰过于保守，在工程设计中往往造成浪费，由于此法简单明了，概念明确，选取的法兰具有相当的剩余强度，足以承受一般操作中产生的外卜部载荷，在管道设计工作量巨大的工程中得到广泛应用。ASMESECWDiv1Appendix2提供的应力分析方法更符合实际。尽管在实际应用中按照这两种方法设计选择的法兰都满足了实际使用要求，但没有从理论上解决泄漏预判的问题，法兰泄漏影响因素很多，本文只是从外部弯矩影响的角度进行了讨论，以垫片受力为考察对象提出了对泄漏弯矩的简要估算公式，对工程管道设计有一定的实际意义。我国及美国相关规范都没有明确解决这个问题，欧洲EN1591提出了一套完善的处理方法，综合考虑了法兰、垫片、螺栓、温度变化和外卜部载荷等因素，从法兰强度计算到泄漏预判都给出了完善的解决方法，只是计算过程比较