儲氣庫模塊裝置間接口法蘭泄漏性校核

張建，付曉東，王燕，文心睿，張劍歌

（中國石油工程建設(shè)有限公司華北分公司，河北 任丘 062550）

法蘭是工業(yè)生產(chǎn)中普遍使用的管道、設(shè)備連接件，同時也是管道系統(tǒng)受力的薄弱環(huán)節(jié)。法蘭選型設(shè)計以及安裝不當極易產(chǎn)生泄漏。儲氣庫模塊裝置具有高溫高壓的特點，模塊間接口法蘭一旦密封失效，將對整個生產(chǎn)過程產(chǎn)生嚴重影響，因此，進行管道應力分析對于保證管道系統(tǒng)安全具有重要意 義[1]，在儲氣庫模塊化裝置的壓力管道設(shè)計中，必須對法蘭進行泄漏性校核。

1 法蘭泄漏的危害及防控措施

1.1 法蘭泄漏的形式及危害

法蘭泄漏通常分為滲透泄漏和界面泄漏兩種。滲透泄漏和墊片的材質(zhì)結(jié)構(gòu)、介質(zhì)的工作壓力、介質(zhì)的物理特性有關(guān)；界面泄漏的主要影響因素包括：墊片承受的螺栓預緊力、腐蝕介質(zhì)對墊片的侵蝕、法蘭承受過高的彎曲載荷或剪切力、介質(zhì)熱脹冷縮或振動使法蘭與墊片間產(chǎn)生間隙等。

法蘭泄漏在生產(chǎn)中出現(xiàn)事故的比例最高，可能引發(fā)爆炸、火災、人員傷亡等重大安全事故。法蘭界面泄漏相比滲透泄漏而言危險性更高、危害更大。

1.2 法蘭泄漏的防控措施

對于危險性較高的特殊介質(zhì)，在確定設(shè)計輸入條件時，可以適當提高管道及法蘭的設(shè)計壓力等級，同時選用高規(guī)格的法蘭材質(zhì)以達到加強法蘭密封效果的目的[2]。對于管道系統(tǒng)敏感部位還應采用專業(yè)的應力分析軟件進行法蘭泄漏性校核。

施工質(zhì)量是工程建設(shè)質(zhì)量控制的重要環(huán)節(jié)，法蘭焊接施工質(zhì)量問題、法蘭本體規(guī)格材料問題都會誘發(fā)泄漏[3-6]。法蘭組對安裝前，應保持法蘭面潔凈、無污漬。組對時不得出現(xiàn)偏口，要保證平行度和同軸度，同時螺栓孔應對齊。緊固螺栓時應對稱進行，防止翹頭。管道投運后應定期檢查、維護法蘭、墊片和緊固件[7]。

2 法蘭泄漏校核的原理及方法

目前，國內(nèi)外大部分工程公司均采用CAESARII管道應力分析軟件進行管道應力計算[8]。CAESARII軟件中有兩種法蘭泄漏分析計算方法，分別是Peq的當量壓力法和NC-3658.3 最大屈服強度法[9-10]。

2.1 Peq 的當量壓力法

Peq 的當量壓力法源于Kellogg 工程公司，經(jīng)工程實踐證明安全可靠。該計算方法是將外部載荷等效為法蘭軸向應力，然后再疊加上設(shè)計壓力，與法蘭工作溫度下的許用應力進行對比，如果小于許用應力則合格。

根據(jù)GB/T 20801.3—2020《壓力管道規(guī)范》[11]中關(guān)于管法蘭及法蘭蓋的壓力設(shè)計規(guī)定，采用當量壓力替代法蘭的設(shè)計壓力進行計算，將其所受的軸向力和力矩轉(zhuǎn)換成當量壓力施加于法蘭上。

軸向力轉(zhuǎn)換成當量壓力計算：

力矩轉(zhuǎn)換成當量壓力計算：

當管法蘭承受外加軸向力或外加彎矩時，按式（3）計算其當量總壓力pe，并以當量總壓力替代設(shè)計壓力進行計算校核。

式中：pe—作用于法蘭的當量總壓力，MPa；

p—設(shè)計壓力，MPa；

F—軸向力，N；

M—彎矩，N·mm；

DG—墊片壓緊力作用中心圓直徑，mm。

公式的推導過程可以參考HG 20645.5—1998《化工管道機械設(shè)計技術(shù)規(guī)定》306 頁[12]。

當量總壓力pe是法蘭在工作溫度下的總當量壓力，即考慮了外載荷的作用，是判定法蘭是否安全的重要依據(jù)，pe的值應取絕對值。

計算結(jié)果應滿足下式

式中：pt

max—法蘭的許用應力，是法蘭安全性的重要指標，可由法蘭壓力-溫度曲線查取。

2.2 NC-3658.3 最大屈服強度法

NC-3658.3 法蘭校核公式的判斷標準為運行工況下管道系統(tǒng)作用于法蘭的彎矩和扭矩應小于法蘭的最大許用力矩。計算公式如下：

Mb—最大許用力矩，kN·m；

Sy—相應溫度下材料的屈服強度，kPa；

C—螺栓圓直徑，m；

Ab—總螺栓孔開洞面積，m2。

ASME NC-3658.3 適用于高強度螺栓（當溫度為38 ℃時Sy≥138 MPa）的法蘭連接。

3 裝置間接口法蘭泄漏校核實例

3.1 設(shè)計條件

工程項目中高溫高壓工況下的法蘭為易泄漏點，應進行法蘭泄漏性校核，以某儲氣庫工程為例，工藝裝置區(qū)模塊由七個單元組成，相鄰單元之間的管道通過法蘭進行連接。其中過濾分離及外輸單元的管道布置如圖1 所示。

圖1 儲氣庫模塊化裝置管道布置圖

管道設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 管道設(shè)計參數(shù)

3.2 Peq 的當量壓力法校核

1）完成管道建模后，選取需要進行法蘭校核的節(jié)點。本案例需要對法蘭節(jié)點10（見圖1）進行泄漏性校核。

2）法蘭校核的參數(shù)設(shè)置。第1 步，選擇法蘭泄漏性校核的方法；第2 步設(shè)置法蘭溫壓曲線以及墊片的有效直徑（注：用戶可以直接調(diào)用數(shù)據(jù)庫，也可手動輸入）。

3）激活法蘭泄漏校核模塊，如圖2 所示。

4）查看法蘭泄漏性校核結(jié)果。

從表2 法蘭校核結(jié)果可以看出，節(jié)點10 法蘭校核已通過。

表2 Peq 法蘭校核結(jié)果

3.3 NC-3658.3 最大屈服強度法校核

1）首先獲取螺栓圓直徑C值，C值在CAESAR II 中單位為mm；計算總螺栓孔開洞面積Ab值，Ab在CAESAR II 中單位為mm2。

在本案例中，通過查詢《ANSI_B16.5》可得C=203.2 mm，螺栓孔直徑為31.70 mm，共8 個，Ab=6313.9 mm2。

2）查詢法蘭材料的屈服強度。本案例法蘭材料為ASTM A182 F51，查詢《ASTM A182》可得，最小屈服強度為450 MPa。

應用NC-3658.3 進行法蘭泄漏性校核的前提是（Sy/246 960）≤1，而本案例中Sy/246 960= 450 000/ 246 960=1.8＞1，因此，本案例不能應用NC-3658.3進行法蘭泄漏性校核。

3）如果Sy/246 960≤1，把螺栓圓直徑C值，總螺栓孔開洞面積Ab值以及法蘭材質(zhì)的屈服強度輸入到CAESAR II 的法蘭參數(shù)表中，便可以進行法蘭泄漏性校核。

4 結(jié) 論

1）本文介紹了法蘭泄漏性校核的兩種常用方法和原理，并以案例的形式詳細描述了應用CAESAR II 進行法蘭泄漏性校核的操作步驟與注意事項，同時明確了軟件計算參數(shù)的選取、數(shù)據(jù)來源，對開展儲氣庫模塊化裝置管道應力分析工作的工程師能夠起到指導作用。

2）NC-3658.3 最大屈服強度法進行法蘭泄漏性校核是有限制條件的，應用時要加以注意。

3）當量壓力法的安全性已被大量工程實踐所證明，因此工程中采用當量壓力法校驗或選用法蘭可以滿足大部分要求。