法蘭泄漏校核方法的探討

左勇，宋悅，郝翰，孫默思

法蘭泄漏校核方法的探討

左勇，宋悅，郝翰，孫默思

（中國石油天然氣管道工程有限公司， 河北 廊坊 065000）

分析了法蘭泄漏的原因與影響因素，介紹和對比了5種常用的法蘭泄漏校核方法，提出了一種全面考慮管道外力、螺栓預(yù)緊力和墊片密封性能的法蘭泄漏校核新方法，并給出了計算實(shí)例說明方法應(yīng)用的關(guān)鍵點(diǎn)，同時通過工程實(shí)踐應(yīng)用證明該方法科學(xué)合理簡單易用，并且在進(jìn)行法蘭泄漏校核的同時提出對法蘭安裝預(yù)緊力的要求，可用于指導(dǎo)法蘭現(xiàn)場施工。

法蘭；泄漏校核； ASME PCC-1；螺栓預(yù)緊力；墊片密封壓力

在工程運(yùn)行過程中，若因管道法蘭泄漏導(dǎo)致管道內(nèi)介質(zhì)外泄，不僅會產(chǎn)生流體或能量損耗，而且會影響正常的生產(chǎn)。特別是石油化工領(lǐng)域，管道內(nèi)為易燃易爆和毒性等危險性介質(zhì)，不僅會污染環(huán)境，更可能因介質(zhì)泄漏引發(fā)現(xiàn)場爆炸，造成重大人員傷亡和巨大經(jīng)濟(jì)損失[1]。因此，為防止法蘭在運(yùn)行過程中出現(xiàn)泄漏，有必要對法蘭泄漏密封原理進(jìn)行分析，在工程設(shè)計階段進(jìn)行法蘭泄漏校核，在工程建設(shè)階段進(jìn)行正確的預(yù)緊安裝[2]，在工程運(yùn)行階段進(jìn)行正確的維護(hù)保養(yǎng)，從而確保法蘭全生命周期的安全可靠。對于標(biāo)準(zhǔn)法蘭，設(shè)計階段主要工作是校核法蘭是否存在泄漏風(fēng)險，對螺栓預(yù)緊力提出要求，但目前尚未有一套行之有效的校核方法將螺栓預(yù)緊力、法蘭承受外力和法蘭泄漏進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

本文將針對這兩個問題以及3個要素進(jìn)行研究，提供一種新的方法來進(jìn)行法蘭泄漏校核，以及計算與之匹配的法蘭螺栓預(yù)緊力，供安裝階段使用。

1 法蘭泄漏與密封

法蘭連接是一個連接系統(tǒng)，它是由法蘭對、螺栓、螺母和墊片組成的[3]。法蘭密封是通過擰緊螺栓，增加法蘭和墊片之間的壓緊力，使泄漏通道減小來達(dá)到密封的，當(dāng)壓力介質(zhì)通過密封口的阻力大于法蘭密封口內(nèi)外的壓差時，介質(zhì)被封住，就達(dá)到了密封的目的[4]。

1.1 法蘭泄漏形式

法蘭的泄漏通常分為兩種：滲透泄漏和界面泄漏。滲透泄漏：當(dāng)法蘭之間的墊片為石棉、石墨、PTFE等，由于其組織疏松，致密性差，纖維與纖維之間有微型縫隙，在一定的壓力下，介質(zhì)會滲透到低壓側(cè)。界面泄漏：當(dāng)密封墊片壓緊力不夠、管道變形以及振動等造成密封墊片與法蘭端面之間密合不嚴(yán)而發(fā)生泄漏，此外法蘭結(jié)合后螺栓變形，墊片產(chǎn)生塑性變形等也會造成墊片與法蘭端面之間密合不嚴(yán)而發(fā)生泄漏。由于滲透泄漏可以通過選擇適合介質(zhì)、壓力的墊片予以解決，并且界面泄漏對閥門設(shè)備產(chǎn)生的危害更大，因此日常所研究的法蘭泄漏通常指界面泄漏，界面泄漏的泄漏量主要與間隙大小、流體黏度、工作壓力有關(guān)[5]。

1.2 影響因素

墊片性能：墊片的彈性變形能力、塑性變形能力和抗壓能力是墊片的關(guān)鍵參數(shù)。彈性變形能力可以更好地補(bǔ)償法蘭端面的分離，適應(yīng)操作壓力和操作溫度的波動；塑性變形能力能較好地填充端面上的微觀凹凸不平，從而達(dá)到法蘭之間的初始密封；墊片抗壓能力能保證墊片在承受較大的壓緊力作用時不至被壓潰損壞，保持良好的性能。

螺栓預(yù)緊力：螺栓預(yù)緊力必須能夠使墊片壓緊并實(shí)現(xiàn)初始密封，同時還要保證在操作條件下的保有相當(dāng)?shù)膲壕o力保證法蘭密封性能。通常，在墊片不被壓潰，法蘭與螺栓不超載荷的條件下，預(yù)緊力越大越好。

操作條件：操作條件包括操作溫度、操作壓力、法蘭外力（力矩）和介質(zhì)。其中溫度對密封性能的影響最大，高溫會使某些墊片變質(zhì)而失去彈性，螺栓會發(fā)生蠕變和松弛，將引起墊片壓緊力下降，并且高溫還會增加介質(zhì)的滲透性和腐蝕性；操作壓力越大，泄漏量就越大，并且會使法蘭面有分離傾向，影響墊片的壓緊力。法蘭所承受的拉力和力矩會引起墊片壓緊力下降，且螺栓拉力上升。介質(zhì)的腐蝕和黏度會影響墊片選型。

法蘭錯位及剛度：法蘭加工誤差及安裝過程中可能出現(xiàn)的不同心、不平行以及剛度不足產(chǎn)生過大的翹曲變形，使墊片的受力不均勻，都會使法蘭產(chǎn)生泄漏。

法蘭密封面：法蘭密封面必須加工精密，法蘭密封面的形式、尺寸和表面粗糙度，必須和選用的墊片相匹配，才能達(dá)到預(yù)期的密封效果。

綜合以上幾點(diǎn)，在法蘭泄漏校核中至少需要考慮：螺栓預(yù)緊力滿足安裝時的初始墊片壓緊力；滿足操作時的操作墊片壓緊力；不對墊片和法蘭造成損傷；不超過螺栓材料的允許應(yīng)力。

2 目前常用的法蘭泄漏校核方法

目前常用的法蘭泄漏校核方法主要有：Taylor-Waters法、EN1591法、NC-3658.3法、Kellogg Equivalent Pressure法和ASME PCC-1法[6]。上述校核方法考慮了不同的作用機(jī)理，得到的結(jié)論各不相同，給工程設(shè)計階段的法蘭校核帶來了較大爭議與不便。各法蘭泄漏校核方法優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

表1 各法蘭泄漏校核方法優(yōu)缺點(diǎn)

2.1 Taylor-Waters法

此方法是以設(shè)計壓力、墊片系數(shù)、墊片預(yù)緊密封比壓、有效密封寬度等為條件，通過分別計算預(yù)緊狀態(tài)和操作狀態(tài)下墊片所需的壓緊力，從而算出所需的螺栓載荷和面積進(jìn)而以螺栓載荷校核法蘭本體強(qiáng)度的設(shè)計方法[7]。此方法對于螺栓按照許用應(yīng)力進(jìn)行校核和預(yù)緊。

2.2 EN1591法

此方法考慮了整個法蘭-螺栓-墊片系統(tǒng)的特性，對壓力、溫度、外力（矩）等載荷作用下，對法蘭及其連接件進(jìn)行完整性和密封性計算，保證了結(jié)構(gòu)的完整性并控制連接接頭的泄漏，允許將設(shè)計計算基于任何給定的泄漏等級，更為全面地反映了法蘭接頭的機(jī)械性能和密封性能，設(shè)計計算也更加符合實(shí)際行為[8]。但此方法計算過程過于繁雜，涉及公式上百個，需要的輸入數(shù)據(jù)過多且部分?jǐn)?shù)據(jù)不易獲得，可以用于關(guān)鍵部位法蘭的設(shè)計與校核，但對于工程設(shè)計階段成百上千的法蘭，計算量過大使其很難應(yīng)于工程設(shè)計階段的法蘭泄漏校核[9]。

2.3 NC-3658.3法

此方法是將法蘭上承受的力和力矩等效作用到螺栓上，然后與法蘭上的屈服強(qiáng)度進(jìn)行比較。計算公式為：

2500/21.6b≤y。 （1）

式中：0—法蘭彎矩；

b—螺栓截面總面積；

—螺栓中心圓直徑；

y—設(shè)計溫度下法蘭的屈服強(qiáng)度。

此方法較為激進(jìn)，幾乎絕大多數(shù)工況法蘭校核都會滿足，即使法蘭泄漏校核滿足，泄漏風(fēng)險也較大。

2.4 Kellogg Equivalent Pressure法

此方法認(rèn)為法蘭上承受的力和力矩等效作用到墊片，與法蘭操作壓力求和得出當(dāng)量壓力，與法蘭的最大許用工作壓力比較。計算公式為：

e=+4/πG2+16/πG3。 （2）

式中：e—當(dāng)量壓力；

—作用在法蘭上的軸向力；

—作用在法蘭上的彎矩；

G—墊片有效工作直徑；

—法蘭操作壓力[10]。

此方法具有一定程度的保守，在操作壓力較為接近法蘭最大許用工作壓力下幾乎無法校核，特別是對盲板法蘭，必然承受較大的盲板力，與操作壓力疊加后的當(dāng)量壓力會大大超過法蘭最大許用工作壓力，因此往往需要在設(shè)計階段提高法蘭等級來滿足校核要求[11]，造成工程建設(shè)成本增加。

2.5 ASME PCC-1法

此方法是為確定螺栓安裝應(yīng)力，也可用于法蘭泄漏校核，根據(jù)螺栓材料確定螺栓預(yù)緊力，在該預(yù)緊力下，法蘭墊片在安裝、操作狀態(tài)都具有足夠的壓力保持密封，且不被壓潰，綜合考慮了螺栓、法蘭、墊片的密封性，與現(xiàn)場法蘭密封表現(xiàn)較一致[12]。主要校核公式為：

sel=max(min,sel) ； （3）

sel= min(max,sel) ； （4）

sel= min(max,sel) ； （5）

sel≥gmin-S[g/(Abnb)]； （6）

sel≥[gmin-Og+(π/4)maxID2]/(gbb)； （7）

sel≤gmax[g/(bb)]； （8）

sel≤max(gmax/max) 。 （9）

式中：sel—螺栓預(yù)緊應(yīng)力，MPa，與螺栓材質(zhì)有關(guān)；

min—螺栓最小預(yù)緊應(yīng)力，MPa，通常取140～245 MPa；

max—螺栓最大允許應(yīng)力，MPa，與螺栓材質(zhì)有關(guān)，建議通常為0.7倍螺栓屈服強(qiáng)度；

max—考慮法蘭不損壞下的螺栓最大允許應(yīng)力，MPa，由標(biāo)準(zhǔn)中附錄C查得；

gmin-S—安裝狀態(tài)下的墊片最小密封壓力，MPa，由供貨商提供，或查詢相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；

gmin-O—操作狀態(tài)下的墊片最小密封壓力，MPa，由供貨商提供，或查詢相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；

gmax—墊片最大允許壓力，MPa，由供貨商提供或查詢相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；

g—墊片有效面積，mm2；

b—螺栓根部面積，mm2；

b—法蘭螺栓個數(shù)；

ID—墊片的有效密封內(nèi)徑，mm；

OD—墊片的有效密封外徑，mm；

g—墊片松弛系數(shù)，由供貨商提供，如無可取0.7；

max—法蘭在最大應(yīng)力下的轉(zhuǎn)角，由標(biāo)準(zhǔn)中附錄D查得；

max—法蘭最大允許轉(zhuǎn)角，通常取1；

max—最大設(shè)計壓力 ，MPa。

3 基于ASME PCC-1的法蘭泄漏校核新方法

3.1 方法介紹

從上面的法蘭泄漏校核方法可以看出，ASME PCC-1法從準(zhǔn)確性、可操作性都是目前進(jìn)行法蘭泄漏校核較為合適的方法，且該方法可以在校核法蘭泄漏的同時確定螺栓預(yù)緊力，將工程設(shè)計計算和施工緊密連接，起到設(shè)計對施工的指導(dǎo)作用。但原方法未考慮管道對法蘭的作用力（矩）對法蘭泄漏產(chǎn)生的影響，法蘭受到連接管道的拉力或彎矩時，將導(dǎo)致墊片壓緊力不足，墊片密封壓力下降，發(fā)生泄漏，同時還會增加螺栓拉應(yīng)力，導(dǎo)致螺栓應(yīng)力過大，影響法蘭校核的精度。因此本文在原方法基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，采用綜合了法蘭軸向力和彎矩的當(dāng)量壓力e代替最大設(shè)計壓力max進(jìn)行法蘭在操作態(tài)的墊片密封壓力校核，同時增加螺栓在當(dāng)量壓力作用下拉應(yīng)力校核，用以保證螺栓在操作狀態(tài)下的安全，改進(jìn)后的法蘭泄漏校核步驟如下：

sel≥min，確認(rèn)螺栓預(yù)緊應(yīng)力大于螺栓最小建議預(yù)緊應(yīng)力；

sel≤max，確認(rèn)螺栓預(yù)緊應(yīng)力小于螺栓最大允許應(yīng)力；

sel≤max，確認(rèn)螺栓預(yù)緊應(yīng)力小于法蘭不損壞的螺栓最大應(yīng)力；

sel≥min-S[g/(bb)]，確認(rèn)螺栓預(yù)緊應(yīng)力大于安裝態(tài)墊片最小密封壓力；

sel≥[gmin-Og+(π/4)maxID2]/(gAbb)，確認(rèn)螺栓預(yù)緊應(yīng)力大于操作態(tài)墊片最小密封壓力；

sel≤gmax[g/(bb)]，確認(rèn)螺栓預(yù)緊應(yīng)力小于墊片壓潰密封壓力；

sel≤max(max/max) ，確認(rèn)螺栓預(yù)緊應(yīng)力小于法蘭扭轉(zhuǎn)限制；

e≤4×(gbbsel-min-Og)/πID2，確定螺栓預(yù)緊應(yīng)力大于操作態(tài)墊片最小密封壓力下的法蘭允許當(dāng)量壓力；

sel≤y-πeID2/4bb，確認(rèn)操作態(tài)螺栓拉應(yīng)力小于螺栓屈服強(qiáng)度。

3.2 計算實(shí)例

以設(shè)計壓力為9.8 MPa、設(shè)計溫度65 ℃、法蘭標(biāo)準(zhǔn)為ASME B16.5、規(guī)格Class 600 12"、材質(zhì)為A105的凸面對焊法蘭、墊片選擇帶內(nèi)外環(huán)的金屬石墨纏繞墊片、螺栓為ASTM B193 B7為例，進(jìn)行校核分析。

首先，確定計算所需的法蘭、螺栓、墊片參數(shù)如表2所示。接著，按步驟確認(rèn)螺栓預(yù)緊力及校核法蘭泄漏：

1）初步確定螺栓預(yù)緊力sel=350 MPa[13]；

2）確認(rèn)螺栓預(yù)緊應(yīng)力大于螺栓最小建議預(yù)緊應(yīng)力sel=max(min,sel) =350 MPa；

3）確認(rèn)螺栓預(yù)緊應(yīng)力小于螺栓最大允許應(yīng)力sel= min(max,sel) =350 MPa；

4）確認(rèn)螺栓預(yù)緊應(yīng)力小于法蘭不損壞的螺栓最大應(yīng)力sel= min(max,sel) =350 MPa；

5）確認(rèn)螺栓預(yù)緊應(yīng)力大于安裝態(tài)墊片最小密封壓力sel≥min-S[g/(bb)]=174.7 MPa；

6）確認(rèn)螺栓預(yù)緊應(yīng)力小于墊片壓潰密封壓力sel≤max[g/(bb)]=679.3 MPa；

7）確認(rèn)螺栓預(yù)緊應(yīng)力小于法蘭扭轉(zhuǎn)限制sel≤max(max/max) =1448.6 MPa；

8）確定法蘭允許當(dāng)量壓力e≤4(gbbsel-min-Og)/πID2=22.5 MPa；

9）確認(rèn)操作態(tài)螺栓拉應(yīng)力小于螺栓屈服強(qiáng)度sel≤y-πeID2/4bb=562 MPa；

10）校核法蘭操作狀態(tài)當(dāng)量壓力是否小于法蘭允許當(dāng)量壓力，若滿足則校核完成，若不滿足則更改管道布置。

表2 法蘭、螺栓、墊片參數(shù)

3.3 應(yīng)用方法

此方法進(jìn)行法蘭泄漏校核時，應(yīng)選取適當(dāng)?shù)穆菟A(yù)緊力，雖然較高的螺栓預(yù)緊力能提高墊片壓力，進(jìn)而提高法蘭的密封效果，但在大口徑高壓力法蘭中，會導(dǎo)致墊片壓力過高而易被壓潰[14]。因此建議小口徑低壓力法蘭，采用較高的螺栓預(yù)緊力，大口徑高壓力法蘭采用較低的螺栓預(yù)緊力。對常用的系列法蘭（如ASME B16.5標(biāo)準(zhǔn)法蘭）、墊片與螺栓，建議計算形成允許當(dāng)量壓力和對應(yīng)的螺栓預(yù)緊力表格，在工程設(shè)計中，再將應(yīng)力計算軟件計算出的法蘭當(dāng)量壓力和允許當(dāng)量壓力相比較，即可完成法蘭泄漏校核，同時選擇與之對應(yīng)的螺栓預(yù)緊力。

在部分工程中對此方法進(jìn)行了法蘭泄漏校核與法蘭安裝的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)與工程實(shí)踐吻合較好，在法蘭及法蘭盲板的試壓與運(yùn)行階段均未出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象，由此證明該方法是可靠的。

4 結(jié)束語

法蘭連接在壓力容器與管道中應(yīng)用廣泛，如何確保法蘭接頭的密封性能以及正確安裝對壓力容器與管道設(shè)置的安全運(yùn)行具有重要意義。目前常用的法蘭泄漏校核方法雖多，但都存在一定的局限性，校核結(jié)論各不相同，給工程設(shè)計階段的法蘭泄漏校核帶來了較大爭議與不便。本文采用ASME PCC-1法為基礎(chǔ)并考慮管道對法蘭的作用力（矩）導(dǎo)致墊片密封壓力和對螺栓拉應(yīng)力的變化影響，能夠更好地保證法蘭在操作狀態(tài)下密封以及螺栓安全，同時對常用法蘭、墊片與螺栓計算形成允許當(dāng)量壓力和與之對應(yīng)的螺栓預(yù)緊力，用于設(shè)計階段的法蘭校核以及施工階段的法蘭安裝，在工程實(shí)際中取得了良好的應(yīng)用效果，具有較強(qiáng)的準(zhǔn)確性和可操作性。

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Discussion of Flange Leakage Checking

,,,

（China Petroleum Pipeline Engineering Corporation, Lanfang Hebei 065000, China）

The reasons and influences factor of flange leakage were analyzed. Five commonly used checking methods of flange leakage were introduced and compared. A new method for flange leakage check taking piping force, bolt stress and gasket seal performance into account was proposed. And the key points of this method was introduced by showing a calculation example. The engineering practice has approved that the new method is simple, reasonable and easy to use. At the same time, the requirements of flange preload were put forward while checking flange leakage, which could be used to guide the site construction of flange.

Flange; Leakage check; ASME PCC-1; Bolt stress; Gasket seal stress

TQ055.81

A

1004-0935（2022）02-0212-05

2021-05-20

左勇（1988-），男，安徽省六安市人，高級工程師，2007年畢業(yè)于天津大學(xué)材料成型及控制工程專業(yè)，研究方向：油氣儲運(yùn)與管道應(yīng)力分析。