管道應(yīng)力分析過程中法蘭泄漏的校核

王 勛

(天津博邁科海洋工程股份有限公司，天津 300452)

在石油化工、海洋油氣行業(yè)，法蘭作為管道連接件應(yīng)用非常廣泛，不論是作為管道可拆卸段的連接，還是與設(shè)備、閥門、儀表等的連接，都起著至關(guān)重要的作用。法蘭連接通常是指由法蘭、墊片及螺栓組成的可拆卸連接結(jié)構(gòu)。法蘭看似只是工程裝置中微小的一部分，實則影響巨大。法蘭如若發(fā)生泄漏，小則造成物料流失浪費、裝置維修停車；大則造成火災(zāi)爆炸、人員傷亡，特別是當(dāng)流體為易燃易爆、高溫高壓的介質(zhì)時。因此，在設(shè)計階段減少法蘭泄漏的可能性是非常有必要的。

工業(yè)裝置和管道中的法蘭，除承受內(nèi)外壓外，還要承受管道及介質(zhì)質(zhì)量、熱膨脹、振動等引起的軸向力和彎矩的作用。通常法蘭的設(shè)計(例如ASME B16.5)是沒有考慮管道彎矩等的影響，為防止在操作條件下發(fā)生泄漏和可能出現(xiàn)的損壞，必要時需要對已經(jīng)選定的標(biāo)準(zhǔn)法蘭進(jìn)行可靠性校核，以判斷是否需要采取進(jìn)一步的安全措施[1]。

1 法蘭校核準(zhǔn)則

法蘭應(yīng)放在受外部彎矩盡可能小的地方。法蘭校核的要求一般會在招標(biāo)文件或者項目規(guī)格書中提及，每個項目會有不一樣的要求，作為常規(guī)要求，可以參照以下情況：①法蘭等級在900磅及以上的高壓法蘭連接處；②法蘭尺寸在24”(609.6mm)及以上的所有法蘭連接處；③承載碳?xì)浠衔锘蚱渌扇夹粤黧w的法蘭連接處；④4”(101.6mm)及以上的安全閥管線法蘭連接處；⑤所有夾套管的法蘭連接處；⑥應(yīng)力工程師發(fā)現(xiàn)的所有較大彎矩的法蘭連接處等。

2 法蘭泄漏的校核方法

本文基于CAESAR II-2019軟件介紹了3種校核法蘭泄漏的方法，并通過實例對比論證了3種方法的區(qū)別。此3種方法分別為：①Kellogg當(dāng)量壓力法(Equivalent Pressure Method)；②ASME Section VIII應(yīng)力計算方法；③NC 3658.3最大屈服強度法。

2.1 Kellogg當(dāng)量壓力法(Peq法)

Kellogg當(dāng)量壓力法認(rèn)為法蘭連接處的所有外部載荷均作用在墊片上，軸向應(yīng)力應(yīng)處于安全范圍內(nèi)[2]。在這個方法中，沒有考慮螺栓力的影響，作用在法蘭上的軸向力和彎矩轉(zhuǎn)化成了當(dāng)量壓力(Peq)，將這兩個當(dāng)量壓力與設(shè)計壓力相加得到總的當(dāng)量壓力，并根據(jù)法蘭材料與ASME B16.5中的壓力-溫度等級表進(jìn)行對比，如果總的當(dāng)量壓力小于等級表中相應(yīng)溫度下的許用壓力，即判定法蘭不會泄漏。此方法簡單可靠，但是過于保守。計算公式如下：

其中，Peq為當(dāng)量壓力；M為作用在法蘭上的彎矩；G為法蘭墊片上的有效直徑；F為作用在法蘭上的軸向力；PD為設(shè)計壓力。

此方法在CAESAR II中的應(yīng)用也比較簡便，首先正確建模，模擬管道、閥門、法蘭等；然后雙擊勾選Flange Checks，再選擇Peq方法，點擊Read from File…選擇相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)法蘭；需要的數(shù)據(jù)就會自動填入，最后軟件會自動計算后比對校核。需要注意的是墊片直徑G值，軟件自動取的平均值，必要時需要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASME B16.20和ASME Sec.VIII更新G值。Peq方法在CAESAR II中的應(yīng)用見圖1。

圖1 Peq方法在CAESAR II中的應(yīng)用

2.2 ASME Section VIII應(yīng)力計算法

ASME Section VIII方法主要是對ASME和ANSI法蘭應(yīng)力和泄漏的計算，法蘭應(yīng)力計算方法來源于：①ASME Section VIII；②ANSI B16.5 Rating Tables。計算的法蘭應(yīng)力包括法蘭頸部軸向應(yīng)力(Longitudinal Hub Stress)、法蘭的徑向應(yīng)力(Radial Flange Stress)和法蘭切向應(yīng)力(Tangential Flange Stress)，將計算的法蘭應(yīng)力與標(biāo)準(zhǔn)中法蘭許用應(yīng)力進(jìn)行對比，若在許用范圍內(nèi)即滿足要求。除了計算以上法蘭應(yīng)力，還需要計算作用于螺栓上的載荷產(chǎn)生的法蘭力矩，詳細(xì)的計算方法可以參考以上標(biāo)準(zhǔn)。

在CEASAR II中，ASME Section VIII方法是在Peq方法校核失敗的時候使用。Peq方法通常被認(rèn)為非常保守，且沒有提供實際的結(jié)果，很多情況下，即使法蘭承受的軸向力和彎矩非常小，依然校核失敗。因此，應(yīng)力工程師常在Peq方法校核失敗后，取用Peq方法計算的軸向力和彎矩來計算法蘭的應(yīng)力。

該方法同樣是利用標(biāo)準(zhǔn)法蘭提供的剩余強度，即使沒有直接涉及外部載荷，經(jīng)大量工程實踐證明是可行的[3]。需要注意的是，此方法在實際計算中會存在一個無法解決的問題，即螺栓的預(yù)緊應(yīng)力(seating stress)在是否有軸向力和彎矩的情況下均超出許用應(yīng)力值。

ASME Section VIII方法在CAESAR II中是作為單獨的板塊存在的(見圖2)，此方法的輸入需要查閱法蘭、墊片、螺栓等標(biāo)準(zhǔn)，計算的大致步驟如下：首先，對管系做靜態(tài)分析，讀取法蘭的軸向力和彎矩；然后，進(jìn)入Analysis下的ASME/ANSI Flanges模塊。需要注意的是，此模塊每次進(jìn)入需要建立一個新的文件名，通常按管徑和管道等級分類，每類建一個計算文件；再次，查閱相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)依次輸入法蘭、螺栓和墊片、材料數(shù)據(jù)和載荷數(shù)據(jù)。其中，載荷數(shù)據(jù)的輸入取每一類中Peq方法未校核通過的最大軸向力和彎矩；最后，運行計算，查看比對應(yīng)力結(jié)果，并根據(jù)情況做出相應(yīng)調(diào)整。

圖2 ASME Section VIII方法在CAESAR II中的應(yīng)用

2.3 NC 3658.3最大屈服強度法

此方法認(rèn)為管道介質(zhì)內(nèi)壓以及由管道變形所產(chǎn)生的彎矩和扭矩都施加在螺栓上，并且假定應(yīng)力都均勻分布在螺栓孔所處圓周上，如果螺栓發(fā)生破壞，則法蘭泄漏[2]。使用此方法校核法蘭泄漏，需要滿足以下兩個條件：①法蘭、螺栓、墊片的設(shè)計使用滿足ASME B16.5的要求；②螺栓材料的許用應(yīng)力值在100℉(38℃)下不小于20 000Psi(138MPa)。

使用NC 3658.3方法需要將外部產(chǎn)生的彎矩或扭矩約束在以下公式的范圍內(nèi)，注意以下公式的常量是英制，轉(zhuǎn)換成公制后，公式中的36 000和3 125應(yīng)該是248.22和21.6：

非偶然荷載工況：S=36 000×Mfs/(CAb×3 125)≤Min(Sy，36 000)

其中[3]：S為法蘭應(yīng)力；Mfs為非偶然荷載工況下，作用于法蘭上的彎矩或扭矩(取大值)；Mfd為偶然荷載工況下，作用于法蘭上的彎矩或扭矩(取大值)；Sy為設(shè)計溫度下法蘭材料的屈服強度；C為螺栓圓周直徑；Ab為螺栓總截面積。

從以上公式可以清晰地看到，螺栓數(shù)據(jù)和螺栓材料屈服強度作為CEASAR II的輸入，同Peq方法一樣，在使用NC 3658.3方法校核法蘭泄漏時，首先需要正確建模，模擬出管道、閥門、法蘭等；然后雙擊勾選Flange Checks，再選擇NC-3658.3方法，查閱相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)輸入螺栓總截面積、螺栓圓周直徑和法蘭材料的屈服強度；最后，軟件會自動計算后比對校核。NC-3658.3方法在CEASAR II中的應(yīng)用見圖3。

圖3 NC 3658.3方法在CAESAR II中應(yīng)用

3 法蘭校核方法實例對比

本文選取某項目“三備一用”板式換熱器出口管線進(jìn)行應(yīng)力分析計算，對閥門法蘭連接處進(jìn)行校核，對比分析以上3種法蘭校核方法，并推薦了1種國內(nèi)外工程公司常用的法蘭泄漏校核流程。某項目板式換熱器出口管道18”(457.2mm)，壁厚STD，材質(zhì)為API 5L GR B，流體介質(zhì)為冷媒流體，密度為1 000kg/m3，操作溫度為33℃，設(shè)計溫度為93.3℃，材料最低使用溫度為-29℃，設(shè)計壓力為1.6MPa，水壓試驗壓力為2.4MPa。出口處有一段可拆卸的連接段，后面緊跟一個切斷閥，然后匯入總管，管道布置見圖4。

圖4 管道應(yīng)力分析模型

使用Peq方法分析計算的結(jié)果見表1。使用ASME Section VIII方法分析計算的結(jié)果見表2。使用NC 3658.3方法分析計算的結(jié)果見表3。

表1 Peq方法分析計算結(jié)果

表2 ASME Sec.VIII方法分析計算結(jié)果

表3 NC 3658.3方法分析計算結(jié)果

以上案例在實際運行中是可行的。但是Peq方法校核失敗，說明此方法過于保守，配合ASME Section VIII方法校核就可以通過；同樣NC 3658.3方法也能校核通過。以上案例說明，ASME Section VIII方法和NC 3658.3方法對實際情況的模擬相對更真實。

在國內(nèi)外一些大型工程公司中，一般結(jié)合以上3種方案按以下流程(見圖5)校核法蘭泄漏，都能保證現(xiàn)場實際運行過程的安全穩(wěn)定。首先用Peq方法校核，如果通過，則設(shè)計上法蘭不泄漏；若校核不通過，再用ASME Section VIII方法校核，通過則設(shè)計上法蘭不泄漏，失敗就需要分析具體的原因，修改調(diào)整后再重新校核，直到通過為止；僅螺栓的預(yù)緊應(yīng)力在不論是否有軸向力和彎矩的情況下，均超出許用應(yīng)力值時，才使用NC 3658.3方法進(jìn)行校核。此流程不唯一，各個項目可能會有不同的要求，僅對如下流程推薦使用。

圖5 法蘭校核流程

4 結(jié)語

(1)本文論述的3種法蘭校核方法原理不同。Kellogg Peq法認(rèn)為法蘭連接處的所有外部載荷均作用在墊片上，NC 3658.3方法認(rèn)為管道介質(zhì)內(nèi)壓以及由管道變形所產(chǎn)生的彎矩和扭矩都施加在螺栓上，而ASME Section VIII方法主要是對法蘭應(yīng)力進(jìn)行計算比對。

(2)本文論述的3種法蘭校核方法在CAESAR II中的輸入復(fù)雜程度不同。Kellogg Peq法輸入簡便快捷，而ASME Section VIII和NC 3658.3方法需要在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中查閱大量數(shù)據(jù)。

(3)本文論述的3種法蘭校核方法的結(jié)果存在偏差。Kellogg Peq法相對較保守，計算結(jié)果與現(xiàn)場實際情況有偏差；ASME Section VIII和NC 3658.3方法相對更精確，與實際情況更接近。

(4)本文結(jié)合以上3種法蘭校核方法，推薦了1種在國內(nèi)外工程公司應(yīng)用較廣泛的校核流程。主要使用Peq結(jié)合ASME Section VIII的方法校核，僅螺栓的預(yù)緊應(yīng)力(seating stress)，在無論是否有軸向力和彎矩的情況下均超出許用應(yīng)力值時，才使用NC 3658.3方法進(jìn)行校核。