淺談高壓管道組成件的設(shè)計(jì)

王義昌 天津市揚(yáng)子化工技術(shù)有限公司 天津 300061

隨著我國石油化學(xué)工業(yè)的蓬勃發(fā)展，高壓化工裝置的生產(chǎn)能力越來越大，現(xiàn)普遍采用的設(shè)計(jì)依據(jù)和現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范沖突甚多，如何科學(xué)、合理、經(jīng)濟(jì)地按國際先進(jìn)水平設(shè)計(jì)高壓管道組成件已迫在眉睫。

1 兩種法蘭系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

1.1 螺紋法蘭系列

1.1.1 H 標(biāo)準(zhǔn)

國內(nèi)高壓管、管件和緊固件的設(shè)計(jì)一直沿用《高壓管、管件及緊固件通用設(shè)計(jì)》 (H1 ～31 -67)，以下簡稱H 標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)是在上個世紀(jì)60年代前蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)ТУИО8100 -50 的基礎(chǔ)上，根據(jù)我國當(dāng)時的實(shí)際情況，采用以碳鋼代替鉻鉬鋼制成Ⅰ級溫度用雙頭螺栓、法蘭厚度減薄約30%、允許直接采用軋材制造和以焊代鍛等措施制定的。該法蘭為螺紋法蘭，圓錐形面在管道上，其母線與中心線夾角為20°。

現(xiàn)在從標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)上已查不到該標(biāo)準(zhǔn);從H -67“高壓管、管件及緊固件通用設(shè)計(jì)”的編號看，不屬于HG 化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn);從名稱看，它是通用設(shè)計(jì)，且與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)矛盾甚多。

1.1.2 機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

1979年，機(jī)械行業(yè)沿用H 標(biāo)準(zhǔn)公布了PN160～PN320 高壓管道組成件的機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB 2768～JB2778。該標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過多次修訂，形成現(xiàn)在的《鍛造角式高壓閥門技術(shù)條件》JB/T 450 -2008、《閥門零部件高壓管子、管件和閥門端部尺寸》JB/T 2768 -2010、 《閥門零部件高壓螺紋法蘭》JB/T 2769 -2008、《PN16.0 ～32.0 MPa 接頭螺母》JB/T 2770 -1992、《PN16.0 ～32.0 MPa 接頭》JB/T 2771 -1992、《閥門零部件高壓盲板》JB/T 2772-2008、《閥門零部件高壓透鏡墊》JB/T 2776 -2010 和《閥門零部件高壓管件和緊固件溫度標(biāo)記》JB/T 2778 -2008 等系列標(biāo)準(zhǔn)。

該行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為機(jī)械行業(yè)生產(chǎn)高壓管道組成件的制造標(biāo)準(zhǔn)。

1.1.3 企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

由于H 標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容已跟不上時代的步伐，最大管徑只為DN150，有些生產(chǎn)企業(yè)延伸了H 標(biāo)準(zhǔn)，增加了較大管徑的規(guī)定，制訂了規(guī)范本企業(yè)生產(chǎn)行為的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。如浙江工業(yè)大學(xué)化工設(shè)備有限公司的企標(biāo)ZH300 -2009 高壓管、管件及緊固件標(biāo)準(zhǔn);岳陽筑盛閥門管道有限責(zé)任公司的DH 企業(yè)標(biāo)準(zhǔn);湖南四化建高壓閥門管件有限公司的GH標(biāo)準(zhǔn)。

某企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)公稱壓力PN160、PN220、PN260、PN320，公稱尺寸為DN6 ～ DN350。公稱壓力PN320 的最大公稱尺寸為DN300。

1.2 帶頸對焊法蘭系列

1.2.1 德國DIN 標(biāo)準(zhǔn)

德國在1972年頒布DIN 2696:1972 -04 《法蘭連接用透鏡墊》 (Lenticular ring joint gaskets for flanged joints)，1999年進(jìn)行了修訂，公布了DIN 2696:1999 -08。該標(biāo)準(zhǔn)為透鏡墊標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)所配的法蘭標(biāo)準(zhǔn)為DIN 1092 -1 (PN63、PN100)、DIN 2636 (PN64)、DIN 2637 (PN100)、DIN 2638(PN160 )、 DIN 2628 (PN250 )、 DIN 2629(PN320)、DIN 2627 (PN400)，皆為帶頸對焊法蘭。帶頸對焊法蘭的連接面將突面的管口處制造成錐體連接面，圓錐形面的母線與其中心線夾角為20°。

DIN 2638 (PN160)、DIN 2628 (PN250)、DIN 2629 (PN320)、DIN 2627 (PN400)的最大管徑依次為 DN300、DN250、DN250、DN200。DIN 2696:1999 -08 規(guī)定透鏡墊連接的帶頸對焊法蘭的最大管徑為DN200。

1.2.2 美洲體系

美國ASMEB16.5 《管法蘭和法蘭管件》是一套完整的、系統(tǒng)的、使用廣泛的管法蘭標(biāo)準(zhǔn)。

HG/T 20615 是以ASMEB16.5 為依據(jù)編制的，公稱壓力最高為Class2500 (PN420)，可以滿足工程設(shè)計(jì)的需要。Class900 (PN150)、Class1500(PN260)、Class2500 (PN420)的帶頸對焊法蘭的最大管徑依次為DN600、DN600、DN300。

高壓管道法蘭密封面通常采用環(huán)連接面(RJ)。

1.2.3 前蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)

前蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)《附件、連接件和管路用法蘭型式. 連接尺寸和密封表面尺寸(1 至200kg/cm2)》ГОСТ 12815 -1980，也有透鏡墊連接的尺寸表，從PN63 至PN200，圓錐形面的母線與其中心線夾角為20°30＇。

PN200 的透鏡墊連接的帶頸對焊法蘭最大管徑為DN200。

該標(biāo)準(zhǔn)基本屬于歐洲體系。

帶頸對焊法蘭透鏡墊密封裝配示意見圖1。

2 兩個體系的比較

圖1 帶頸對焊法蘭透鏡墊密封裝配示意圖

2.1 規(guī)格尺寸

透鏡墊密封形式螺紋法蘭的壓緊錐面在管道上。為了防止透鏡墊在壓緊時損壞，墊圈截面積必須大于或等于法蘭螺栓的總截面積，即鋼管壁厚不但要滿足管內(nèi)壓力的要求，也要滿足透鏡墊的要求。這樣，鋼管的壁厚往往比較厚，法蘭較厚重。

透鏡墊密封形式帶頸對焊法蘭的錐面位于法蘭突面處，靠法蘭錐面壓緊墊圈。

(1)H 標(biāo)準(zhǔn)的鋼管未采用國際通用的壓力管道外徑系列，是按公稱壓力等級形成固定的外徑和壁厚系列;未采用國際通用的公稱壓力及壓力-溫度額定值，只是按溫度系列劃分材料等級，劃分較粗，未有具體針對性。帶頸對焊法蘭以GB/T 9115 的數(shù)據(jù)為依據(jù)。

兩種體系用鋼管規(guī)格比較見表1。

表1 帶頸對焊法蘭和高壓螺紋法蘭用鋼管規(guī)格比較

從表1 可見，所有鋼管的壁厚螺紋法蘭系列都比帶頸對焊法蘭系列厚，如DN200 的鋼管，螺紋法蘭系列比帶頸對焊法蘭系列厚10mm，超重60.2kg/m。

(2)法蘭主要規(guī)格比較見表2。

表2 帶頸對焊法蘭和螺紋法蘭主要規(guī)格比較

從表2 可見，螺紋法蘭系列厚度在DN50 以上時比帶頸對焊法蘭系列厚，如DN200 的法蘭，螺紋法蘭系列比帶頸對焊法蘭系列厚65mm。

2.2 計(jì)算方法

2.2.1 H 標(biāo)準(zhǔn)

H 標(biāo)準(zhǔn)沿用的是前蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)《高壓管道零件技術(shù)條件》ТУИО8100 -50，其高壓螺紋法蘭計(jì)算方法為原蘇聯(lián)的扎哈林科計(jì)算方法。

該法認(rèn)為:在法蘭與管子采用螺紋法蘭連接的情況下，法蘭內(nèi)外邊緣邊界條件比較接近簡支狀態(tài)，因此可以假設(shè)法蘭為“環(huán)”，徑向彎曲應(yīng)力和環(huán)向彎曲應(yīng)力可以簡化為環(huán)向彎曲應(yīng)力，起著控制作用。這是基于材料力學(xué)的計(jì)算方法，屬于過于簡化的法蘭盤的近似方法，而實(shí)際法蘭并非完全處于環(huán)向彎曲狀況，也存在徑向彎曲應(yīng)力。而該計(jì)算方法沒有考慮法蘭中通常所存在的最大應(yīng)力―錐徑應(yīng)力。

2.2.2 歐美體系標(biāo)準(zhǔn)

目前國際上工業(yè)發(fā)達(dá)國家的法蘭國家標(biāo)準(zhǔn)歸納為歐洲體系和美洲體系，歐洲體系法蘭的計(jì)算方法為基于塑性極限載荷分析的方法，該法對法蘭按塑性極限載荷法進(jìn)行計(jì)算，從而挖掘法蘭的承載能力，法蘭結(jié)構(gòu)尺寸較小。

美洲體系是基于彈性分析的方法，從彈性分析準(zhǔn)則計(jì)算法蘭的彈性名義應(yīng)力，并通過控制適當(dāng)?shù)脑S用應(yīng)力的辦法，來保證法蘭具有足夠的剛性，從而使整個連接達(dá)到密封可靠的要求

2.2.3 中國標(biāo)準(zhǔn)

《鋼制管法蘭連接強(qiáng)度計(jì)算方法》GB/T 17186-2008 規(guī)定的只有A、B 兩種，A 為美洲體系的計(jì)算方法，B 為歐洲體系的計(jì)算方法。

GB 150 -2011 規(guī)定的法蘭計(jì)算方法為美洲體系的計(jì)算方法。

3 高壓管管道組成件設(shè)計(jì)中標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的選用

我國的標(biāo)準(zhǔn)正在逐步向國際先進(jìn)水平靠攏，但目前還沒有與國際接軌的高壓管道組成件的國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)高壓管件時，應(yīng)遵循《壓力管道安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程-工業(yè)管道》TSG D0001 -2009 的規(guī)定，按《工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50316 -2000 (2008年版)、《壓力管道規(guī)范工業(yè)管道》GB/T 20801 - 2006 的有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

3.1 在維修、改造時的設(shè)計(jì)

為了和在役使用的管件相配套，在高壓管件的維修、改造時，如要和原管件配套，管道組成件型式尺寸建議按JB/T 450、JB/T 2768-2778 選用。當(dāng)選用螺紋法蘭和原管件配套時，可選用一個短管節(jié)，一端為螺紋和法蘭連接，短管另一端采用外壁減薄、內(nèi)壁減薄或內(nèi)外壁皆減薄的方式和符合國際通用的管道外徑系列的管道焊接。其它按3.2 節(jié)高壓管件在新建、擴(kuò)建時的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)。

3.2 在新建、擴(kuò)建時的設(shè)計(jì)

我國執(zhí)行的法蘭標(biāo)準(zhǔn)HG/T 20592 - HG/T 20635 是一套按歐洲體系和美洲體系分別編制的管法蘭標(biāo)準(zhǔn)，體系清晰、使用操作性強(qiáng)，具有成熟的工程使用經(jīng)驗(yàn)。其中帶頸對焊法蘭是適應(yīng)所有壓力級別的法蘭，所以高壓管道法蘭的最佳選擇是帶頸對焊法蘭。

德國已在1972年頒布DIN 2696:1972-04 《法蘭連接用透鏡墊》標(biāo)準(zhǔn)，將透鏡墊連接的法蘭標(biāo)準(zhǔn)定為帶頸對焊法蘭，1999年又對它進(jìn)行了修訂。前蘇聯(lián)也在1980年頒布ГОСТ 12815 -1980 標(biāo)準(zhǔn)，將透鏡墊連接的法蘭標(biāo)準(zhǔn)定為帶頸對焊法蘭。

在管徑≤DN200 時，可以直接選用按照德國DIN2696:1999 -08 標(biāo)準(zhǔn)的透鏡墊的的尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，選用GB/T 9115 -2010 《對焊鋼制管法蘭》PN160、PN250、PN320、PN400 系列的突面法蘭(該系列的帶頸對焊法蘭尺寸和德國標(biāo)準(zhǔn)相同)。將突面的管口處制造成錐體連接面和透鏡墊配合。圓錐形面的母線與其中心線夾角為20°。法蘭的材料、壓力-溫度額定值等技術(shù)要求執(zhí)行GB/T 9124-2010 《鋼制管法蘭技術(shù)條件》。

因壁厚不同造成透鏡墊的某些尺寸不同，需要設(shè)計(jì)者因地制宜進(jìn)行計(jì)算。由于透鏡墊內(nèi)徑應(yīng)不小于管道內(nèi)徑，設(shè)計(jì)壓力、管道材料不同造成管內(nèi)徑不同，則需計(jì)算透鏡墊的內(nèi)徑d1以及和透鏡墊的內(nèi)徑有關(guān)的其他參數(shù):球面半徑r、接觸圓直徑dD、透鏡墊內(nèi)側(cè)厚度h1等;帶頸對焊法蘭的錐面外徑d5、透鏡墊外徑d2、兩法蘭突面的距離x等尺寸均可采用德國DIN2696 標(biāo)準(zhǔn)中的數(shù)據(jù)。

筆者計(jì)算了PN250、設(shè)計(jì)溫度100℃、材料為20#的無縫鋼管的透鏡墊尺寸，PN250 帶頸對焊法蘭連接用透鏡墊尺寸見表3，該表未經(jīng)施工檢驗(yàn)，供設(shè)計(jì)者參考，符號意義見圖1。

表3 PN250 帶頸對焊法蘭連接用透鏡墊尺寸表

DIN2696 中未列出數(shù)據(jù)狀況，在管徑＞DN200時可以使用美洲體系的 Class900、Class1500、Class2500 級別的環(huán)連接面帶頸對焊法蘭。

零部件的要求為:帶頸對焊法蘭為20 鍛Ⅲ;全螺紋螺柱為35CrMo，螺母為30CrMo;透鏡墊處理后硬度要比管道材料稍軟。

高壓無縫鋼管選用GB 6479 -2000 《高壓化肥設(shè)備用無縫鋼管》，GB 6479 標(biāo)準(zhǔn)中硫含量要求≤0.030%，建議按GB150 對GB 6479 的要求，要求硫含量≤0.020%;

高壓管件按GB/T 12459 -2005 《鋼制對焊無縫管件》選用。

3.3 施工及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

施工及驗(yàn)收應(yīng)執(zhí)行《工業(yè)金屬管道工程施工規(guī)范》GB 50235 -2010、《工業(yè)金屬管道工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》GB 50184 -2011、《現(xiàn)場設(shè)備、工業(yè)管道焊接工程施工規(guī)范》GB 50236 -2011、《現(xiàn)場設(shè)備、工業(yè)管道焊接工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》GB 50683 -2011。

4 建議

(1)隨著新材料、新技術(shù)和現(xiàn)代設(shè)備的硬件和軟件的不斷升級，H 標(biāo)準(zhǔn)已不能滿足現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)的需要，應(yīng)盡快制定出和國際接軌的高壓管、管件和緊固件設(shè)計(jì)規(guī)范。

(2)我國目前還沒有帶頸對焊法蘭透鏡墊連接面的標(biāo)準(zhǔn)，建議相關(guān)部門結(jié)合我國國情增加歐洲體系帶頸對焊法蘭PN250、PN320、PN400 等壓力系列，及其相應(yīng)的透鏡墊密封面和相關(guān)規(guī)定。

5 結(jié)語

(1)H 標(biāo)準(zhǔn)的鋼管是按公稱壓力等級形成固定的外徑和壁厚系列，未采用國際通用的壓力管道外徑系列，也未按因設(shè)計(jì)壓力不同、設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力不同而壁厚不同的情況計(jì)算壁厚。

H 標(biāo)準(zhǔn)按溫度系列劃分材料等級，未規(guī)定在工作溫度下不同材料的最高允許工作壓力，即未規(guī)定壓力-溫度額定值。

H 標(biāo)準(zhǔn)和《工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50316 -2000 (2008年版)、 《壓力管道規(guī)范工業(yè)管道》GB/T 20801 - 2006 的有關(guān)規(guī)定要求相差甚遠(yuǎn)。

(2)在計(jì)算方法上，螺紋法蘭是基于材料力學(xué)的計(jì)算方法，屬于過于簡化的法蘭盤的近似方法。

高壓螺紋法蘭系列的管道組成件的重量比透鏡墊密封形式的帶頸對焊法蘭管系重，從而增加了工程投資。

透鏡墊密封形式的帶頸對焊法蘭比透鏡墊密封形式的螺紋法蘭連接有明顯的優(yōu)點(diǎn)，因此不應(yīng)再選用高壓螺紋法蘭。

在高壓管件的設(shè)計(jì)上應(yīng)優(yōu)先選用美洲體系法蘭。