帶頸對焊法蘭設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

魏寶鋒

上海寰球工程有限公司 上海 200032

1 設(shè)備簡介

法蘭作為設(shè)備的主要零部件在防止介質(zhì)泄漏方面起著重要作用，法蘭結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及其合理性至關(guān)重要。本文以換熱器為例，介紹設(shè)計(jì)過程中法蘭結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求及注意事項(xiàng)。

某項(xiàng)目中一臺殘余物汽提塔塔釜冷凝器，其管程介質(zhì)苯酚(強(qiáng)滲透介質(zhì))、苯乙酮等屬于易燃易爆、中度危害的第一組介質(zhì)，殼程介質(zhì)調(diào)溫水屬于第二組介質(zhì)。該設(shè)備殼程選用碳鋼(Q345R)，管箱筒體采用不銹鋼(S30408)。設(shè)備結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 換熱器示意圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

按照《鋼制化工容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)定》HG/T20583-2011中的描述[1]，容器內(nèi)介質(zhì)毒性為極度、高度危害或者有強(qiáng)滲透性的中度危害和介質(zhì)為液化石油氣時(shí)，法蘭應(yīng)采用帶頸對焊型法蘭，由此確定本設(shè)備法蘭型式采用帶頸對焊型。帶頸對焊型法蘭由法蘭環(huán)、錐段、與筒體對接段三部分組成，其結(jié)構(gòu)見圖2。

根據(jù)壓力、溫度、腐蝕裕量等設(shè)計(jì)參數(shù)，殼側(cè)設(shè)備法蘭可選用標(biāo)準(zhǔn)壓力容器法蘭。管箱側(cè)由于材料不在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，需要設(shè)計(jì)者通過計(jì)算以確定具體結(jié)構(gòu)尺寸。設(shè)計(jì)時(shí)，可參考標(biāo)準(zhǔn)法蘭尺寸取值，根據(jù)計(jì)算校核結(jié)果對各部分結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行調(diào)整直到滿足要求。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，減小螺栓圓中心直徑，可有效減小法蘭計(jì)算中力矩的力臂值，對法蘭設(shè)計(jì)非常有利。為保證各項(xiàng)結(jié)構(gòu)取值的合理性，筆者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)提出以下建議：

圖2 帶頸對焊型法蘭示意圖

(2)非標(biāo)法蘭應(yīng)進(jìn)行剛度校核,剛度系數(shù)控制在0.85以內(nèi)。

(3)應(yīng)力裕量：計(jì)算應(yīng)力/許用應(yīng)力≤0.9，法蘭各部分的計(jì)算應(yīng)力與相應(yīng)許用應(yīng)力值之比不宜相差太大。

(4)選用標(biāo)準(zhǔn)法蘭時(shí)，應(yīng)校核法蘭的最大許用工作壓力是否滿足相應(yīng)設(shè)計(jì)溫度下設(shè)計(jì)壓力的要求，如有必要，還應(yīng)考慮管道外載荷作用時(shí)的法蘭當(dāng)量最大許用工作壓力是否滿足要求。

在上述基礎(chǔ)上將法蘭的錐段和法蘭環(huán)比例設(shè)計(jì)得當(dāng)，使法蘭各部分充分發(fā)揮強(qiáng)度性能并保證足夠的剛度，即趨于滿應(yīng)力狀態(tài),遵循“滿應(yīng)力準(zhǔn)則”[2]。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)及解決方案

除了滿足以上控制指標(biāo)之外，還有兩點(diǎn)需要注意：① 確認(rèn)對接段厚度；② 判斷帶頸對焊法蘭計(jì)算結(jié)果的合格與否及解決方案。

3.1 確認(rèn)對接段厚度

以本臺設(shè)備為例：管箱側(cè)法蘭選擇鍛件，材料許用應(yīng)力為96MPa，管箱筒體選用板材，材料許用應(yīng)力為130MPa。管箱側(cè)法蘭應(yīng)力與管箱筒體應(yīng)力比值96/130=0.738(相同的設(shè)計(jì)溫度按200℃)，如果選擇等厚度，法蘭的對接段厚度可能不滿足內(nèi)壓需要的壁厚。

這里筆者提供兩種方案，建議優(yōu)先采用第二種。

(1) 取消對接段。由法蘭計(jì)算確認(rèn)所需的最小δ1值，按照GB 150.4-2011中的規(guī)定[3],B類焊接接頭以及圓筒與球形封頭相連的A類焊接接頭，當(dāng)兩側(cè)鋼材厚度不等時(shí)，若薄板厚度δs2≤10 mm且兩板厚度差超過3mm；若薄板厚度δs2>10 mm且兩板厚度差大于30%δs2，或者超過5mm時(shí)，均應(yīng)單面或雙面削薄厚板邊緣，或按同樣要求采用堆焊方法將薄板邊緣焊成斜面，按照筒體厚度加3mm或5mm的原則最終確認(rèn)所需的最小δ1的值。

(2)保留對接段。計(jì)算管側(cè)法蘭應(yīng)力與管箱筒體應(yīng)力比值：96/130=0.738(相同的設(shè)計(jì)溫度按200℃)[3]，若以管側(cè)壁厚/0.738得出的厚度滿足不削邊的厚度原則，可確認(rèn)對接段厚度δ0。如果按管側(cè)壁厚/0.738得出的厚度必須削邊，則需按照NB/T 47020中法蘭與圓筒連接要求，在對接焊縫的筒體端部堆焊過渡(具體參見NB/T 47020的P16中的圖2)[4]。

3.2 判斷帶頸對焊法蘭計(jì)算結(jié)果的合格與否及解決方案

3.2.1 法蘭常見計(jì)算項(xiàng)

當(dāng)軸向應(yīng)力σH不合格時(shí)，調(diào)整法蘭錐段大小端厚度，可有效調(diào)整軸向應(yīng)力值。當(dāng)徑向應(yīng)力σR不合格時(shí)，調(diào)整法蘭環(huán)厚度可有效調(diào)整徑向應(yīng)力值。當(dāng)環(huán)向應(yīng)力σT不合格時(shí)，調(diào)整錐段高度可明顯改善環(huán)向應(yīng)力狀態(tài)。將法蘭環(huán)，錐段結(jié)構(gòu)比例設(shè)計(jì)得當(dāng)，使法蘭各部分充分發(fā)揮強(qiáng)度性能即滿足滿應(yīng)力狀態(tài)。同時(shí)需關(guān)注法蘭的剛度系數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)要求法蘭剛度系數(shù)小于1。但在實(shí)際工程中由于法蘭同時(shí)受到管箱偏心載、管口載荷等影響，剛度系數(shù)一般控制在0.85以內(nèi)。影響剛度系數(shù)的因素是多樣的，其中最有效的是調(diào)整法蘭環(huán)厚度。

3.2.2 法蘭緊固件及墊片選擇

除了法蘭本身的結(jié)構(gòu)尺寸對法蘭各應(yīng)力狀態(tài)影響較大外，法蘭的連接(包括螺栓、墊片等)也至關(guān)重要。法蘭計(jì)算中如果出現(xiàn)螺栓預(yù)緊力不足的情況，改變墊片類型及螺栓材質(zhì)可有效調(diào)整螺栓預(yù)緊力大小。其中墊片的選擇應(yīng)根據(jù)介質(zhì)的腐蝕性，滲透性，毒性程度，易爆性，以及設(shè)計(jì)壓力和溫度來進(jìn)行合理選擇。在滿足操作條件的前提下，優(yōu)先選擇墊片比壓力和墊片系數(shù)較小的材料。常見推薦墊片有聚四氟乙烯板，增強(qiáng)柔性石墨板等。合理選擇墊片類型后，再調(diào)整螺栓的材質(zhì)，一般選擇力學(xué)性能比較高的材料即高強(qiáng)螺栓，可有效提升螺栓預(yù)緊力。

4 結(jié)語

帶頸對焊法蘭是化工設(shè)備常見的一種密封結(jié)構(gòu)，正確理解法蘭錐段與筒體連接段厚度，確保法蘭有效密封是設(shè)備安全、裝置平穩(wěn)運(yùn)行的第一守則。

設(shè)計(jì)非標(biāo)法蘭建議參考以下標(biāo)準(zhǔn)(包括但不限于)：NB/T 47023 《長頸對焊法蘭》[4]、HG/T 20615《鋼制管法蘭》中WN系列[5]、 GB/T 29465《浮頭式熱交換器用外頭蓋側(cè)法蘭》等[6]。在上述標(biāo)準(zhǔn)中選擇對應(yīng)壓力等級下的法蘭為參考，根據(jù)具體情況展開設(shè)計(jì)工作。無論以哪種標(biāo)準(zhǔn)為藍(lán)本，建議計(jì)算中按本文提及的經(jīng)驗(yàn)值適當(dāng)考慮設(shè)計(jì)裕量。錐段與法蘭環(huán)的結(jié)構(gòu)比例應(yīng)選擇恰當(dāng)，使法蘭具有較小的重量和緊湊的體積，讓法蘭材料的強(qiáng)度得到充分利用，各項(xiàng)機(jī)械性能得到充分的發(fā)揮。