法兰泄漏的校核及评定

　　摘要：石油化工装置高温高压易燃易爆，管道法兰作为常用的连接件，同事也作为潜在的泄漏点，严重影响装置的安全运行，所以正确合理地评定法兰泄漏尤为重要。本文从理论上讲述工程上广泛使用的具有可行性的快速评定法兰是否存在泄漏的方法以及应对方法提出一些建议。
　　关键词：法兰、泄漏、计算、评定
　　法兰作为主要的管件连接件,用于管子与管子，管子与设备，管子与阀门等等之间的连接，其拆卸方便，便于检修，从而得到广泛应用。然而，法兰是通过垫片与螺栓的预紧力进行密封。垫片的类型，垫片安装的好坏，螺栓安装的是否有正确的预紧力，还有因管系走向而对法兰处造成的外部荷载（主要是轴向力及弯矩）等等因素对法兰的密封效果有相当的影响，故法兰泄漏作为一个潜在的泄露点，影响着装置的安全运行，特别是高温高压易燃易爆的工艺介质或深冷易燃介质如LNG，更不允许泄漏。所以法兰泄露作为一个重要的考虑因素，在石化及LNG接收站工程设计中应给予极度的重视。
　　防止法兰泄漏通常采用两种方法：一是通过适当地修改走向，增加柔性，使作用于法兰处的荷载（外部荷载即法兰处的力以及力矩）；二是提高法兰的压力等级（即法兰磅值），从而提高了Pr值，使得法兰承载能力变大，使得法兰泄漏不发生。
　　对于防止法兰泄漏有一些经验的做法，例如一般认为法兰连接处的应力不大于70MPa便可以接受。实际分析表明，该方法在管径不大时基本适用，当管径较大时可能并不偏于保守，因此需要更精确的校核方法。ASMENC-3658给出了三种校核方法，其中第三种方法较为简便，被广泛采用，但一般认为该方法具有相当的保守程度，此种方法与HG/T20645-1998中提到的计算公式是一致的，具体计算公式如下：
　　（公式1）
　　式中——法兰在计算下的额定允许值（即设计压力），MPa
　　——管道的设计压力，MPa
　　F——法兰承受的拉力（不包括内压产生的拉力），N
　　M——法兰承受的合成弯矩，N.m
　　——垫片压紧力作用的中心圆直径，近似等于垫片接触面的平均直径，详细定义可参见HG/T20645-1998的2.3.1节,mm
　　
　　以上的计算的实际上是将管系对法兰处的力和力矩（即外荷载）折算成当量的压力，可称为。、之和再与进行比较，如果其两者之和小于值，则可从理论上认为，该法兰不存在泄漏。反之，则认为可能存在泄漏。
　　上述有提到法兰的泄漏同时也跟现场的安装好坏有影响，有时候现场在法兰没有对中的情况下强行安装，这已经是等于另外增加了初始的荷载，这种情况无疑是增大了法兰泄漏的可能性。所以本文所述仅从设计角度进行探讨，忽略安装因素对法兰泄漏的影响。
　　为了使用起来更方便，国内的很多设计院已将上述的公式做成表格，把相应的参数填好，即可快速评判校核法兰。为管道设计压力，可在管道数据表中查询或由工艺专业提供。则可查ASMEB16.5中的压力—温度额定值表，HG/T20592~20635也提供了该表，指定温度的值可通过内插法计算得出。拉力F和合成弯矩M一般可通过专业的管道应力分析软件建立管系模型，再进行计算得出。在国际公认的管道应力分析软件中，CAESARⅡ是应用得最为广泛的软件之一，国内应用也非常广泛。下面将使用CAESARⅡ进行举例，以详细说明该公式的应用过程。
　　
　　图1
　　
　　图2调节阀处详图
　　如上图1所示，DN450的低压蒸汽管线，设计温度280℃，设计压力为0.7MPa，管子材质为CS。管线上所使用的法兰类型为突面，150磅，CS,ASTMA105,相当法兰标准为ASMEB16.5，与之匹配的垫片是带有外环的缠绕（金属）填充垫片。
　　根据实际的管道走向，使用CAESARⅡ建立模拟的模型。该低压蒸汽管线从低压蒸汽主管引出，回到除氧器中。主管模拟了一段，有导向有限位，确保管线引出点至除氧器此部分管线不再受到主管其它部分管段的影响，此端是合理的边界条件。低压蒸汽管线的另一侧连接除氧器，模型中也将除氧器模拟进来，除氧器有滑动端与固定端，所以低压蒸汽管线的另一端同样已经是合理的边界条件。至此，该低压蒸汽管线的模拟是正确合理的。
　　图2中的node220，node230为调节阀的模型单元，调节阀口径为DN300，为对该调节阀处的法兰进行校核，需要把法兰处的荷载显示出来，故在法兰节点单元处增设约束，设立cnode节点，220cnode221，并给予ANC的约束类型。输入的环境温度为2.2℃，计算温度为280℃，设计压力为0.7MPa，运行CAESARⅡ进行计算，检查管线的一次及二次应力均可以通过，再看约束报告，得到的node220的荷载如下：
　　220 RigidANC
　　FX=-3973N，FY=11462N，FZ=583N
　　MX=-15724N.m，MY=-4256N.m，MZ=-7636N.m
　　对于法兰处的来说，node220点是法兰的点，node221是阀门一侧的点，node220cnode221可以理解为法兰对阀门施加的荷载。FX=-3973N，为负值，表示该力与图中坐标的正方向相反，是趋向于使法兰螺栓拉伸效应，结果便是趋于把密封面拉开，趋于泄漏的，是一个拉力且影响法兰密封。而FY与FZ都是使法兰的螺栓承受剪切效应，是剪力，只对螺栓的强度产生影响，对法兰泄漏的影响可以不计。
　　MX对此片法兰来说，是一个扭矩，扭矩主要影响螺栓的截面积，对法兰泄漏的影响同样可以不计。MY和MZ则是该法兰两个方向上的弯矩，对法兰的强度及泄漏的影响非常大，起关键作用。在使用上述的公式计算时需要对这两个弯矩进行合成，得到合成弯矩M。两个向量的合成，采用平方和再开根号。
　　即N.m
　　查HG/T20610，并结合HG/T20645中对的定义，计算得到的=346.48mm
　　查ASMEB16.5的压力—温度额定值表如下：
　　Table2-1-1Pressure-TemperatureRatingsforGroup1.1Materials
　　Group1.1Materials对应材料组里包含了ForgingsA105与本管道法兰材料一致。
　　Class150这一档当温度为250℃时，=12.1bar；300℃时，=10.2bar
　　使用内插法算得280℃的=10.96bar=1.096MPa
　　将=0.7MPa，F=3973N，M=8742N.m，=346.48mm代入公式1
　　公式1右边等于1.678MPa
　　显而易见，，，超标了约53%，因公式1具有相当的保守程度，所以从理论上评判该法兰可能存在泄漏。此处管道布置已经十分紧凑，改变走向比较困难，且已经超标了53%，故建议此处的调节阀门提高磅值至300磅。
　　通过上述的举例，说明了对于应力分析管线关于法兰校核的一般过程。通过公式1我们可以发现，是由外载荷承受的值，实际上就是与的差值。法兰在选取公称压力时通常有20%的余量（相对于管线的设计压力而言），也就是说外载荷所折算的当量压力通常不允许超过20%。但有时一些高压的管线在选取法兰公称压力时往往很接近了临界值，如果仍20%余量，就会“跳档”，费用就又增加不少，这时候余量往往少于5%，这无疑对我们的计算造成极大的困难，但正是因为这样的高压，我们更要慎重考虑泄漏。上有述及，影响阀门泄漏的因素非常多且很复杂，要对法兰进行一个完整的精确计算目前尚未有更好的办法。目前工程公司广泛采用了公式1，但公式1具有相当的保守程度，无论是修改走向或者是采取增加磅值（尤其是控制阀门）都可能使投资的费用增加不少，从而影响了经济性。所以有时在评判法兰是否存在泄漏以及泄漏可能性的大小时仍需要辅以工程经验。但是如果对于介质为极度危害的流体，笔者认为只要是超标了超过20%，都应该考虑修改走向或者增加法兰磅值，安全始终是应该摆在第一位。
　　参考文献
　　[1]唐永进压力管道应力分析中国石化出版社2003