關(guān)于外載荷作用下標(biāo)準(zhǔn)法蘭評(píng)估方法的探討

劉 頌

(中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101)

法蘭是石油化工領(lǐng)域中管道與管道、管道與設(shè)備間最常用的連接方式，具有拆裝方便、承壓能力好、密封性好等優(yōu)點(diǎn)。螺栓法蘭連接系統(tǒng)由一對(duì)法蘭，若干螺栓、螺母和一個(gè)墊片組成，密封方式屬于強(qiáng)制密封【1】。法蘭系統(tǒng)的失效模式主要是密封失效，即在密封處因法蘭發(fā)生較大塑性變形、墊片屈服或緊固件松弛、斷裂【2】造成的泄漏。法蘭連接系統(tǒng)的各個(gè)元件間相互作用，共同實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定。螺栓的緊固、墊片的自有屬性、介質(zhì)的滲透性和密封面型式等相關(guān)因素也可能導(dǎo)致法蘭系統(tǒng)出現(xiàn)失效問(wèn)題。

目前法蘭計(jì)算方法多為基于強(qiáng)度失效的計(jì)算，其中Taylor-Waters法是目前工程領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的法蘭計(jì)算方法?？紤]法蘭連接系統(tǒng)的復(fù)雜性，Waters法的評(píng)定原則并不能對(duì)法蘭做出完整性的評(píng)價(jià)，該方法多用于指導(dǎo)非標(biāo)法蘭的設(shè)計(jì)與計(jì)算【2-5】。除個(gè)別場(chǎng)合需要采用非標(biāo)設(shè)計(jì)的法蘭外，石化行業(yè)中管道與設(shè)備、管道與管道用管法蘭，多選用標(biāo)準(zhǔn)管法蘭。標(biāo)準(zhǔn)管法蘭結(jié)構(gòu)尺寸及其壓力-溫度額定值選擇法與Waters法是依據(jù)兩個(gè)互不相關(guān)的規(guī)則，兩者之間不存在關(guān)聯(lián)性【5】。并且，標(biāo)準(zhǔn)管法蘭體系已歷經(jīng)一百多年的工程實(shí)踐，具有相當(dāng)?shù)目煽啃?。但是隨著高溫、高壓、易燃、易爆管線應(yīng)用越來(lái)越多，法蘭連接系統(tǒng)必然還會(huì)受到因重力、熱應(yīng)力、振動(dòng)等管線外載荷的作用。因此， 如何有效地評(píng)估外載荷作用下的標(biāo)準(zhǔn)管法蘭的承載能力，將變得更有工程實(shí)際意義。

1 石化設(shè)計(jì)常用法蘭評(píng)估方法

筆者查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)法蘭評(píng)估方法并不唯一。例如，核工業(yè)領(lǐng)域常用ASME NC3658.2(螺栓面積法)、 ASME NC3658.3(最大屈服強(qiáng)度法)對(duì)外載荷作用下的法蘭進(jìn)行評(píng)估，而在石化行業(yè)，當(dāng)量壓力法則是應(yīng)用最為廣泛的法蘭評(píng)估方法。我國(guó)GB/T 20801—2020、NB/T 47041—2014、HG/T 20583—2020、SH/T 3074—2018等標(biāo)準(zhǔn)皆引用當(dāng)量壓力法用于指導(dǎo)和評(píng)估壓力容器、壓力管道中法蘭在外載荷作用下的可靠性。本文對(duì)當(dāng)量壓力法的假設(shè)和推導(dǎo)過(guò)程作進(jìn)一步分析，并結(jié)合工程實(shí)例，就其保守性展開(kāi)探討。

1.1 當(dāng)量壓力法介紹

當(dāng)量壓力法具體計(jì)算公式如式(1)所示。

(1)

式中：Pe——當(dāng)量設(shè)計(jì)壓力，MPa；

M——外力矩，N·mm；

DG——墊片壓緊力作用中心圓直徑，mm；

F——軸向外載荷(拉力時(shí)計(jì)入)，N；

Pc——計(jì)算壓力，若不考慮靜壓頭，即為設(shè)計(jì)內(nèi)壓力，MPa。

該公式由三部分構(gòu)成：

1) 計(jì)算壓力Pc。如有必要，除考慮容器的設(shè)計(jì)壓力外，尚應(yīng)考慮介質(zhì)液柱靜壓力的影響。

2) 法蘭外部軸向拉力當(dāng)量的靜壓載荷P1。

將軸向力F等效為DG范圍內(nèi)的端部靜壓載荷P1。

(2)

式中：P1——軸向拉力當(dāng)量的靜壓載荷，MPa。

3) 外部彎矩當(dāng)量靜壓載荷P2。

這里經(jīng)過(guò)兩次轉(zhuǎn)化，第一次是將彎矩轉(zhuǎn)化為軸向力，如式(4)所示，第二次是將軸向力按照式(2)再轉(zhuǎn)化為靜壓載荷P2，如式(5)所示。

墊片處彎曲應(yīng)力

(3)

式中：σ——外部彎矩引起的軸向應(yīng)力，MPa；

W——墊片處的抗彎截面模量，mm3；

b——墊片有效密封寬度，mm。

墊片處軸向力

(4)

式中：F1——墊片處的軸向力，N。

綜上可知，彎矩當(dāng)量靜壓載荷

(5)

式中：P2——外部彎矩當(dāng)量靜壓載荷，MPa。

1.2 當(dāng)量壓力法的評(píng)估過(guò)程

當(dāng)量壓力法運(yùn)算簡(jiǎn)單，能夠較為快捷地對(duì)法蘭的可靠性進(jìn)行評(píng)估，在工程上應(yīng)用較為廣泛，但該方法對(duì)軸向力和彎矩的當(dāng)量轉(zhuǎn)化較為簡(jiǎn)單，尤其是彎矩作用下的墊片力沿環(huán)向的不均勻性并未體現(xiàn)【6】，被工程實(shí)踐證明較為保守。舉例說(shuō)明如下。

某重整裝置中催化劑加料閉鎖料斗， 設(shè)計(jì)壓力1.2 MPa， 設(shè)計(jì)溫度95 ℃， 催化劑出口選用規(guī)格為WN100-Class 300、材質(zhì)為16Mn鍛件的HG/T 20615—2009標(biāo)準(zhǔn)管法蘭，墊片為D100-Class 300的HG/T 20631—2009標(biāo)準(zhǔn)纏繞墊。根據(jù)HG/T 20615—2009壓力-溫度額定值表，查得其最大允許工作壓力Pa為4.7 MPa>1.2 MPa，符合設(shè)計(jì)原則。管道應(yīng)力專業(yè)通過(guò)核算，提出法蘭連接處節(jié)點(diǎn)的管線載荷，具體如表1和圖1 所示。按照該管線推力，依據(jù)式(1)折算當(dāng)量設(shè)計(jì)壓力Pe=6.4 MPa>Pa=4.7 MPa，考慮此催化劑管線布置要求較為嚴(yán)格，管線外載荷無(wú)法再次調(diào)整，因此從設(shè)計(jì)角度，必須對(duì)此次出現(xiàn)的管線外載荷提出合理、可靠的解決方案，以保證裝置后續(xù)的順利開(kāi)車及平穩(wěn)運(yùn)行。

表1 管線載荷

圖1 管線外載荷節(jié)點(diǎn)

圖1中的1080節(jié)點(diǎn)即為催化劑加料閉鎖料斗底部出口與管線法蘭的外載荷，其中：Fx、Fy、Fz為三個(gè)方向的外部力，Mx、My、Mz為三個(gè)方向的外部彎矩。

針對(duì)上述管線外載荷當(dāng)量設(shè)計(jì)壓力評(píng)定不合格問(wèn)題，按照工程設(shè)計(jì)思路，在不改變管線布置的前提下，從靜設(shè)備設(shè)計(jì)角度出發(fā)，一般有3種解決方案：

1) 提高法蘭壓力等級(jí)

將法蘭壓力等級(jí)由Class 300改為Class 600， 則最大允許工作壓力相應(yīng)提高為Pa=9.4 MPa>Pe=6.4 MPa，可以滿足要求。

2) 進(jìn)行非標(biāo)法蘭設(shè)計(jì)

以WN100-Class 300標(biāo)準(zhǔn)法蘭模數(shù)為基礎(chǔ)，以Pe=6.4 MPa作為設(shè)計(jì)壓力，以非標(biāo)法蘭常用的Taylor-Waters法作為計(jì)算依據(jù)進(jìn)行非標(biāo)法蘭設(shè)計(jì)，最終得到滿足設(shè)計(jì)要求的非標(biāo)法蘭模數(shù)。

3) 增大法蘭規(guī)格

以上3種解決方案均是完全通過(guò)式(1)所示的法蘭當(dāng)量壓力法折算得到的當(dāng)量設(shè)計(jì)壓力來(lái)評(píng)估法蘭系統(tǒng)在外載荷作用下的安全裕度的，是能夠被工程設(shè)計(jì)接受的。

1.3 當(dāng)量壓力法的保守性

以上3種方法雖然可行，但是從法蘭設(shè)計(jì)角度看，會(huì)使設(shè)計(jì)工作變得繁瑣；從成本角度看，也使得費(fèi)用有所增加，尤其是對(duì)于法蘭規(guī)格較大、壓力等級(jí)較高的應(yīng)用場(chǎng)合，上述方法不夠經(jīng)濟(jì)。通過(guò)對(duì)比已建成同類裝置相同布置形式的管線，發(fā)現(xiàn)該工程實(shí)例中管道專業(yè)所提外載荷僅超出常規(guī)5%～10%，但以當(dāng)量設(shè)計(jì)壓力作為評(píng)估方法，則超出額定值36%之多，這反映出該方法存在一定保守性。

ASME Section Ⅷ Division 1—2019 UG44提出一種外載荷作用下的法蘭評(píng)估方法。該方法是在當(dāng)量壓力法基礎(chǔ)上，對(duì)式(1)進(jìn)行了一定的修訂，如式(6)所示。

16ME+4FEG≤πG3[(PR-PD)+FMPR]

(6)

式中：ME——ASME符號(hào)，表示外力矩，與式(1)中M一致，N·mm；

FE——ASME符號(hào)，表示軸向外載荷(拉力時(shí)計(jì)入)，與式(1)中F一致，N；

G——ASME符號(hào)，表示墊片壓緊力作用中心圓直徑，與式(1)中DG一致，mm；

PR——壓力-溫度額定值表中給出的最大允許工作壓力，MPa；

PD——ASME符號(hào)，表示計(jì)算壓力，可取為設(shè)計(jì)壓力，與式(1)中Pc一致，MPa；

FM——外載荷修正系數(shù)，具體取值見(jiàn)表2。

表2 外載荷修正系數(shù)FM

應(yīng)用表2時(shí)要注意以下兩點(diǎn)：

1) 未給出外載荷修正系數(shù)的尺寸范圍和壓力等級(jí)組合不在該表范圍內(nèi)；

2) 如果受到持續(xù)的外載荷或者處于法蘭系統(tǒng)發(fā)生蠕變的溫度下，應(yīng)考慮減小外載荷修正系數(shù)。

該修訂是針對(duì)考慮外載荷的美標(biāo)法蘭的壓力-溫度表所作的修正，其壓力折算方法與當(dāng)量壓力法一致，僅在查詢壓力-溫度表時(shí)添加修正系數(shù)FM。該系數(shù)是由ASME PVRC小組經(jīng)過(guò)大量的案例和試驗(yàn)總結(jié)出的。通過(guò)表2可知，F(xiàn)M在一定程度上對(duì)不同壓力等級(jí)、不同規(guī)格法蘭的當(dāng)量壓力評(píng)定方法進(jìn)行了“保守程度”的量化。 HG/T 20615—2009法蘭與ASME B16.5法蘭尺寸基本一致，因此該修訂內(nèi)容對(duì)選用HG/T 20615—2009法蘭具有一定指導(dǎo)意義。

為了更直觀地理解這種保守性，本文選取HG/T 20615—2009中的6個(gè)不同直徑的標(biāo)準(zhǔn)管法蘭，鍛件材質(zhì)選用16Mn，墊片選擇標(biāo)準(zhǔn)纏繞墊，按照表3 所示的4種工況以SH/T 3074附錄D給出的管口外載荷來(lái)模擬“實(shí)際管線推力”，并利用當(dāng)量壓力法進(jìn)行折算，得到4組關(guān)于當(dāng)量設(shè)計(jì)壓力與最大允許工作壓力關(guān)系的曲線，如圖2所示。

圖2 法蘭當(dāng)量壓力保守程度對(duì)比

表3 法蘭設(shè)計(jì)工況

通過(guò)對(duì)比分析4組曲線，得到如下規(guī)律：

1) 在工況一和工況二兩種工況下，6種直徑法蘭的當(dāng)量設(shè)計(jì)壓力均大于最大允許工作壓力；

2) 管口越小，當(dāng)量設(shè)計(jì)壓力與最大允許工作壓力比值越大;

3) 法蘭壓力等級(jí)越小，當(dāng)量設(shè)計(jì)壓力與最大允許工作壓力比值越大。

通過(guò)以上對(duì)比研究可知，本文所述算例呈現(xiàn)出的規(guī)律與ASME中外載荷修正系數(shù)FM是一致的。由此可知，當(dāng)量壓力法具有一定的保守性，尤其是對(duì)于規(guī)格小、壓力等級(jí)小的法蘭，當(dāng)量壓力法保守程度更高。除當(dāng)量壓力法具有一定保守性外，考慮螺栓安全系數(shù)取值比其他受壓元件更大，法蘭正常操作過(guò)程中，螺栓面積的裕度較為充足，因此在滿足強(qiáng)度、剛度要求的前提下，螺栓預(yù)緊潛力較大，因此法蘭標(biāo)準(zhǔn)中的壓力-溫度表同樣具有一定“裕量”。

2 結(jié)論

本文結(jié)合具體工程實(shí)例，對(duì)當(dāng)量壓力法的評(píng)估過(guò)程進(jìn)行進(jìn)一步探討，得到如下結(jié)論：

1) 當(dāng)量壓力法具有一定保守性?；诖?，ASME Section Ⅷ Division 1—2019在評(píng)定法蘭外載荷時(shí)，提出法蘭外載荷修正系數(shù)FM，使采用當(dāng)量壓力法評(píng)估法蘭可靠性變得更加合理。

2) 通過(guò)對(duì)4組算例進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了當(dāng)量壓力法的保守性，同時(shí)還驗(yàn)證了當(dāng)量設(shè)計(jì)壓力與最大允許工作壓力的關(guān)系，結(jié)果顯示，不同直徑、不同壓力等級(jí)的法蘭，其當(dāng)量設(shè)計(jì)壓力與最大允許工作壓力的比值呈現(xiàn)出的規(guī)律與法蘭外載荷修正系數(shù)FM是一致的。

3) 本文所述工程實(shí)例采用修正后的當(dāng)量壓力法對(duì)承受外載荷的法蘭進(jìn)行評(píng)估，實(shí)踐證明，評(píng)估結(jié)果可靠。