法蘭連接完整性管理及定力矩密封技術(shù)研究與應用

李偉華

(中國石化中原油田普光分公司，四川達州 636156)

0 前言

在設(shè)備日常維護保養(yǎng)及檢修工作中，法蘭螺栓緊固主要依賴作業(yè)人員的實際操作經(jīng)驗，缺乏有效的量化指標。操作人員在進行法蘭螺栓緊固時存在用力不均的情況，若緊固過緊，易造成墊片失效或損壞，嚴重時可導致螺栓變形、滑絲或斷裂；若緊固過松，則易于發(fā)生泄漏。某氣田作為國內(nèi)最大的高含硫酸性氣田，集輸及凈化工藝復雜,酸性天然氣中含高濃度硫化氫氣體，一旦發(fā)生氣體泄漏，不僅會給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡，還會造成極惡劣的社會影響。針對法蘭螺栓緊固及密封領(lǐng)域存在的問題，系統(tǒng)分析法蘭連接過程中導致泄漏的關(guān)鍵因素，通過有限元模擬仿真方法，確定不同形式的密封墊在螺栓緊固后其真正的變形回彈量，并應用到螺栓扭矩理論計算中修正單純的理論計算值。運用此計算值，對廠內(nèi)部分關(guān)鍵法蘭進行定力矩緊固技術(shù)措施，構(gòu)建法蘭連接完整性管理及帶壓密封技術(shù)，消除設(shè)備法蘭連接失效風險，以確保設(shè)備安全長周期運行。

1 設(shè)備法蘭連接緊固的有限元計算及結(jié)果

針對設(shè)備法蘭連接領(lǐng)域存在的問題，詳細開展了基于泄漏風險的法蘭密封平衡定力矩緊固相關(guān)研究，采用有限元模擬計算與分析，確定了螺栓預緊力、螺栓變形和應力以及墊片應力變化規(guī)律，并最終對螺栓和墊片進行強度校核。并將研究成果在天然氣凈化裝置檢修中，對98對泄漏風險高的A級法蘭進行現(xiàn)場驗證應用，取得了較好應用效果。

1.1 有限元計算模型

1.1.1 模型幾何及材料參數(shù)

建模時采用了該氣田普遍使用的兩種法蘭，公稱直徑為DN250和DN350,這兩種法蘭的尺寸規(guī)格如表1所示，通過查閱圖紙，其螺栓材料為30CrMoA，螺母的材料為35CrMoA，法蘭的材料是SS316，墊片的材料是SS304，其材料對應的性能參數(shù)如表2所示，并對DN250法蘭做了梯型槽密封面橢圓/八角鋼墊兩種墊片的模擬。對DN350法蘭做了平面型密封面金屬纏繞墊模擬。其中梯形槽密封面橢圓/八角鋼墊兩種和平面型密封面中的金屬纏繞墊墊規(guī)格如表3所示。

表1 法蘭尺寸規(guī)格

表2 模型材料參數(shù)

表3 密封墊參數(shù)

1.1.2 有限元模型構(gòu)建

有限元仿真采用MSC.Marc進行建模，考慮到法蘭具有周期對稱性，因此采用周期對稱性循環(huán)模型，對于具有

n

顆螺栓的法蘭，以1

/n

為單元結(jié)構(gòu)進行有限元建模。同時，為了保證計算精度，全模型采用8節(jié)點六面體單元，整體模型根據(jù)墊片的不同稍有不同，但其單元總數(shù)在12×10～15×10個，節(jié)點總數(shù)在13×10～16.5×10個。整體有限元模型網(wǎng)格如圖1所示。圖中平面密封面金屬纏繞式墊片為黃/綠、梯形槽密封面金屬環(huán)墊片為白/藍。

圖1 整體有限元網(wǎng)格模型

計算中螺紋副的摩擦系數(shù)取0.125，螺母和法蘭面的摩擦系數(shù)取0.15。同時考慮到在緊固過程中，密封墊和法蘭主要以相互擠壓為主，其摩擦系數(shù)對螺栓載荷的影響較小，因此設(shè)其摩擦系數(shù)與螺母法蘭面摩擦系數(shù)相同。在接觸設(shè)置中，為保證接觸識別的精度，消除螺紋接觸副對單元的敏感性，采用接觸順序無關(guān)的面面接觸模型，同時采用庫倫摩擦模型。

計算中限制螺栓端面繞軸線的旋轉(zhuǎn)位移，使得螺桿僅可能發(fā)生軸向移動；限制螺母沿軸向移動，在螺母外側(cè)建立指向單一控制節(jié)點的MPC多點約束模型，在此控制節(jié)點上施加緊固力矩，使其繞軸線轉(zhuǎn)動，帶動螺桿產(chǎn)生軸向位移，從而實現(xiàn)法蘭的緊固密封連接。

緊固力矩加載曲線如圖2所示。采用靜力學分析，加載進程僅表示載荷加載規(guī)律：0～1.0表示施加緊固力矩，1.0～1.1表示緊固力矩卸載，1.1～1.2表示靜置回彈；而縱軸表示緊固力矩加載比例，數(shù)值1表示緊固力矩達到最大值。

圖2 緊固力矩加載示意曲線

1.2 3種密封墊應力在螺栓緊固過程中的變化規(guī)律分析

對比分析了橢圓鋼墊、八角鋼墊和纏繞式墊3種墊片的預緊力在緊固過程中的變化情況，結(jié)果見圖3。由圖可知，3種墊片下的預緊力變化情況相似，均隨著預緊進程呈快速增加而后逐漸趨于穩(wěn)定，在最終預緊力均為100 kN左右。定義最終預緊力與最大緊固力矩時的預緊力之比為回彈系數(shù)。結(jié)果還表明，橢圓鋼墊和八角鋼墊在緊固力矩卸載后密封墊應力回彈不明顯，通過圖3中數(shù)據(jù)得出，其回彈系數(shù)分別為0.985和0.991，而纏繞式金屬墊的預緊力在緊固力矩卸載后存在明顯回彈，回彈系數(shù)為0.827。

圖3 預緊力在預緊進程中的變化曲線

模擬研究了采用橢圓鋼墊時，螺栓在加載到最大緊固力矩時及緊固完成后的等效應力、軸向應力及切應力變化情況，計算結(jié)果如圖4～圖6所示。由圖4和圖5可知，緊固完成后螺栓Mises等效應力和切應力在數(shù)值上相對于加載到最大緊固力矩時具有較大程度的回彈，且緊固完成后由于回彈導致螺栓絕大部分區(qū)域的應力顯著減小，高應力區(qū)主要集中在局部螺紋連接處。

圖4 螺栓Mises等效應力模擬結(jié)果

圖5 螺栓切應力模擬結(jié)果

圖6 螺栓軸向應力模擬結(jié)果

由圖6可知，螺栓軸向應力的分布及大小在最大力矩及緊固完成后沒有顯著變化，而是通過螺桿橫截面上軸向應力的合力形成了緊固預緊力，因此螺栓軸向應力的分布變化趨勢與螺栓預緊力的變化趨勢相似。

1.3 墊片應力變化規(guī)律分析

Mises等效應力是反映墊片強度的相當應力，由此應力判斷墊片是否進入屈服，產(chǎn)生塑性變形；法向應力反映墊片的接觸密封壓力，是評價墊片緊固密封性能的最直接指標。系統(tǒng)研究了3種墊片形式下的Mises等效應力和法向應力分布圖，如圖7和圖8所示。橢圓鋼墊和八角鋼在緊固完成后的接觸密封面較小，接觸密封法向應力分別達到了517 MPa和451 MPa，而纏繞式墊片由于接觸面大，接觸應力分布不均勻，密封法向應力較小，僅為242 MPa，主要分布在纏繞層外側(cè)。

圖7 不同墊片緊固完成后Mises等效應力對比

圖8 不同墊片緊固完成后法向應力對比

為進一步揭示在緊固過程中墊片密封壓力的變化，對比了3種墊片最終法向應力最大的節(jié)點，結(jié)果如圖9所示。結(jié)果表明橢圓鋼墊法向應力最大，而纏繞式墊片接觸法向應力最小，且在緊固力矩卸載后法向應力回彈較大。

圖9 墊片法向應力隨預緊進程的改變

2 法蘭連接定力矩密封技術(shù)現(xiàn)場應用及分析

結(jié)合有限元仿真模擬結(jié)果，采用法蘭連接定力矩密封技術(shù)，對在用的98對法蘭進行了定力矩緊固，氣密性測試中未發(fā)現(xiàn)任何泄漏。

在做定力矩之前，先要確定法蘭的緊固力矩，緊固力矩的確定方法是先確定法蘭所需要的螺栓載荷，然后再根據(jù)有限分析的成果，充分考慮不同密封墊片形式的回彈量，倒推出所需要的緊固力矩?？紤]因素包括：①管道壓力：工作壓力

P

，試壓壓力

P

，設(shè)計壓力

P

；②密封墊片的種類、墊片的寬度及墊片的外徑；③螺栓的長度數(shù)量，法蘭的厚度，螺母的厚度，螺牙；④工作溫度，安裝溫度。螺栓預緊力的組成：補償溫差所需的預緊力

F

，克服內(nèi)壓所需的預緊力

F

，設(shè)備工作時保證密封墊正常工作所需的預緊力

F

。a) 補償溫差所需的預緊力

F

為：

(1)

(2)

式中：

E

——螺栓材料的彈性模量；

A

——螺栓的受載橫截面積：

L

——螺栓的有效拉伸總長度：

L

=

L

+

L

，其中

L

為拉伸螺桿長度，

L

為兩端半個螺母厚度之和，mm；Δ

L

——螺栓受溫度影響的伸長量，mm；

D

——螺桿直徑，mm；

p

——螺距，mm。設(shè)安裝溫度

T

，工作溫度

T

，溫差為Δ

T

=

T

-

T

；金屬材料的線脹系數(shù)為

α

，因設(shè)備在升溫過程中法蘭同樣在熱膨脹，螺栓受熱膨脹影響的長度比法蘭面多出一個螺母的厚度，因此，受熱膨脹影響的有效長度為:

L

-

L

，故溫差造成的螺栓伸長量為：

ΔL

=

α

·

ΔT

·(

L

-

L

)。b) 克服內(nèi)壓所需的預緊力

F

：

(3)

式中：

P

——Max(

P

,

P

,

P

)，MPa；

n

——螺栓數(shù)量；

D

——墊片壓緊力作用中心圓直徑，mm。墊片壓緊力作用中心圓直徑按下列規(guī)定確定：①對于活套法蘭，墊片壓緊力作用中心圓直徑

D

即是法蘭與翻邊接觸面的平均直徑。②對于其他型式法蘭，則按下述規(guī)定計算

D

：當

b

≤6.4 mm時，

D

等于墊片接觸的平均直徑；當

b

>6.4 mm時，

D

等于墊片接觸的外徑減去2

b

。其中

b

為墊片基本密封寬度，

b

為墊片有效密封寬度。③對筒體端部結(jié)構(gòu)，

D

等于密封面平均直徑。c) 設(shè)備運行時保證密封墊正常工作所需的預緊力

F

：

(4)

式中：

m

——墊片系數(shù)，通常為密封墊制造商隨產(chǎn)品提供；

n

——螺栓數(shù)量。

螺栓所需的最終預緊力為：

F

=

F

+

F

+

F

(5)

法蘭密封面參數(shù)見表4。

表4 法蘭密封面參數(shù)

根據(jù)以上公式，代入表4法蘭相關(guān)參數(shù)計算，并運用有限元計算成果修正墊片回彈系數(shù)，得出以下實驗結(jié)果。

131系列-D-101-T反應器人孔法蘭緊固驗證，根據(jù)有限元仿真計算分析需要力矩為5 924 N·m。該處法蘭采用M52型螺栓，數(shù)量為28顆。工程采用二同步的方式實施，應用結(jié)果為法蘭四點間隙分別為11.16，11.12，11.06，11.38 mm。符合ASME PCC-1-2013對法蘭間隙的要求，按照《法蘭密封結(jié)構(gòu)安裝技術(shù)規(guī)范》進行扭矩抽檢，法蘭間隙和氣密性均符合要求。

131系列-E-106換熱器封頭法蘭緊固驗證，根據(jù)有限元仿真計算分析需要力矩為2 189 N·m。131-E-101B換熱器封頭法蘭采用M36型螺栓，數(shù)量為56顆。工程采用四同步的方式實施，應用結(jié)果為法蘭四點間隙分別為18.26，18.25，18.306，18.22 mm，按照《法蘭密封結(jié)構(gòu)安裝技術(shù)規(guī)范》進行扭矩抽檢，法蘭間隙和氣密性均符合要求。

通過以上基于有限元仿真分析及計算的方法，對98對法蘭進行定力矩緊固，實用效果明顯，氣密一次成功率100%，且后期運行穩(wěn)定無泄漏。當然力矩計算是設(shè)備平穩(wěn)運行的首要條件，而按計算好的力矩對設(shè)備進行規(guī)范施工和規(guī)范管理也尤為重要。

3 結(jié)論

a) 采用有限元仿真模型對不同墊片形式的預緊力和緊固力矩變化規(guī)律研究表明，纏繞式墊片由于卸載回彈較大，在緊固完成后預緊力有明顯下降趨勢，使用過程需考慮其回彈量。

b) 在3種墊片中，橢圓墊片接觸面最小，因此密封壓力最大；纏繞式墊片由于接觸面積大，接觸壓力分布不均，從外到內(nèi)密封壓力顯著減小，且緊固完成后回彈明顯，導致緊固密封壓力損失較多。

c) 通過對法蘭連接完整性管理及帶壓密封技術(shù)研究及在設(shè)備檢維修工作定力矩緊固技術(shù)的實施應用，建立了法蘭連接完整性管理信息平臺，消除了設(shè)備法蘭連接失效風險，確保了某高含硫氣田的安全長周期運行，同時，也對石油石化行業(yè)法蘭連接密封泄漏隱患治理具有借鑒作用。