塔设备连接法兰的校核方法研究及应用

刘万朋，施哲雄，何荣娥，周 阳

(华东理工大学机械与动力工程学院, 上海 200237)

0 引 言

塔设备是石油化工装置中常见的设备，在生产中占有十分重要的地位.一些中低压工作状态下的塔设备为了拆装方便，往往采用法兰连接，然而法兰连接处又是塔设备发生泄漏的潜伏点，且工作介质一般情况下具易燃易爆有毒的特点，一旦发生泄漏或者其他的失效形式，后果将会十分严重，所以科学合理的法兰校核方法对保证塔设备的安全运行显得尤为重要.

法兰连接是一个连接系统，它是由法兰对、螺栓、螺母和垫片组成的[1].塔节通过法兰用螺栓连接在一起，靠螺栓连接来增加法兰和垫片之间的压紧力，使垫片表面产生塑性变形或弹性变形，阻隔了塔内流体或气体介质可能外溢的通道，从而保证连接处的密封性.因此，塔设备连接法兰的校核要兼顾应力和应变两个方面，既要保证法兰连接系统的强度要求，同时还要保证法兰连接可靠的密封性.

1 失效机理

研究的对象为某公司塔设备腐蚀最严重且风弯矩相对较大的一个法兰，其腐蚀机理主要是保温层下腐蚀(CUI).通过现场调查，可以发现腐蚀严重的部位保温不合理，造成保温层内含有大量的积水无法排出，且塔的工作温度在35 ℃左右，在易发生保温层下腐蚀的温度范围内(-12 ℃～117 ℃)[2]现场实景如图1所示.

图1 现场照片Fig.1 Scene photos

从现场照片上可以看出法兰、螺栓腐蚀严重，并且塔内的工作介质为二氯乙烷，属于易燃易爆有毒性气体，一旦发生失效，后果影响范围将会很大.因此，对该塔连接法兰进行科学合理的校核迫在眉睫.

2 有限元分析

传统的法兰设计和校核，国内参考的标准主要是GB150[3]和JB4710[4]，在该准则中，假设法兰和垫片是刚性的，用刚性方程来描述它们的力学特征，并且准则中所计算主要是强度计算，并不考虑外部载荷的影响和法兰的泄漏问题，而在实际情况下，由外部载荷造成的法兰泄漏也是常见的失效形式[5].接下来将通过有限元分析软件(AxiPRO)来对塔设备连接法兰在外部载荷作用下的强度和刚度要求进行计算.

2.1 法兰参数

法兰是一个连接系统[6]，在有限元计算过程中，需要对法兰、螺栓、螺母及垫片进行深入的研究，有关设计参数如表1所示，法兰零件图如图2所示.

图2 法兰剖视图Fig.2 Cutaway view of flange

根据法兰的计算压力、设计温度和材料种类，结合HG20625(美洲体系)[7]可以确定法兰的等级为PN2.5 MPa(class 150)的带颈平焊法兰；螺栓为高强度螺栓，公称抗拉强度为800 MPa，屈服强度为640 MPa；根据HG20606[8]可确定垫片为凸凹面垫片.

具体设计参数如表2所示.

表1 设计参数Table 1 Design parametres

表2 法兰和垫片参数一览表Table 2 Flange & gasket parameters

由表1和2可以看出，连接螺栓和法兰的选用均满足HG20593[9]标准.

2.2 分析模型

接螺栓d=20.45 mm，法兰最大厚度δ=24.1 mm.

2.3 网格划分

法兰连接系统中涉及到法兰对、螺栓和垫片的网格划分，有限元软件中默认的网格划分是3×3的网格节点，为了得到更贴近实际的力学结果和更详细的垫片应力分布情况，采用4×4的网格节点，网格质量0.72，共划分8 949个单元，10 293个节点.

图3 有限元模型Fig.3 Finite element model

2.4 载荷施加

在分析中，主要考虑轴向应力、地震载荷和由风载、雪载等产生的外部弯矩载荷影响.在各种法兰设计和校核标准中，都没有明确规定外部载荷和许用应力的关系，ASME SECⅧ Div1 中规定“所设计法兰应该足够强度以承受外部载荷”[10]，GB150中也没有做明确的规定，只是在API 605《大口径碳钢法兰》中明确规定温度-压力等级表中的法兰应该能够承受与其相连管道许用应力一半所对应的外部弯矩[11].实际失效案例中，外部弯矩是造成法兰泄漏的一个主要原因.在分析中，取内压P=1.1 MPa，外弯矩M=13 648 152 N·mm，轴向载荷F=47 326.5 N(外弯矩和轴向载荷为SW6软件计算结果)计算参数如表3所示.

表3 塔设备SW6计算参数表Table 3 SW6 calculation parameters for tower

3 法兰计算结果分析

塔设备连接法兰要保证法兰连接系统的强度要求和法兰连接可靠的密封性，所以法兰的校核要从应力和应变两个方面进行分析.

3.1 强度校核

法兰连接系统的强度校核主要是通过等效应力确定危险区域，然后对危险区域进行应力计算，最后将计算结果与许用应力比较，进而确定法兰连接系统组件是否满足强度要求，通过有限元软件计算得到法兰螺栓的应力结果如图4所示.

从图4中可以看出，两种工作状态下，对于法兰来说，较大应力都集中在法兰和塔节的连接处及法兰的锥颈处；对于螺栓和螺母来说，螺柱与螺孔的接触面和螺柱与螺母的接触面应力较大，且外部弯矩对螺栓的应力改变不是很大.

对法兰危险区域进行数据读取，可得到最大应力.

即：① 预紧状态下σmax1=166.062 MPa

② 操作状态下 σmax2=182.060 MPa

则

σmax=max(σmax1，σmax2)=182.060 MPa<1.5

[σ]=244.3 MPa(GB150-1998)

校核合格对螺栓危险区域进行数据读取，可得到最大应力，如表4所示.

螺栓等级为8.8级，由此可知其抗拉强度为800 MPa，所以螺栓的许用应力为

[σ]=267 MPa

螺栓计算应力均小于许用应力，即螺栓满足强度要求.

表4 螺栓计算应力Table 4 Calculation stress of bolts

3.2 密封性校核

3.2.1 校核结果 法兰因刚度造成的失效主要是介质泄漏[12]，这也是法兰在实际应用中最主要的失效形式.ASME Ⅷ Div1和GB 150的法兰校核只是关于强度的校核，并不考虑法兰的刚度校核，即法兰的泄漏问题.这样误导人们认为只要满足了强度要求，理论上就不会泄漏，且在面对法兰的泄漏问题时，缺少计算依据和定量的计算，只能凭经验处理法兰泄漏问题.

考虑到法兰、垫片和工作介质，法兰的泄漏校核主要从法兰的刚度因子、垫片外边缘应力和介质泄漏流量及外边缘泄漏介质最小可检测量三个方面进行考查，校核结果如表5所示.

表5 刚度校核结果Table 5 Results of rigidity check

注： 1.分析所选用的代表性流体为氯甲烷;2.允许值由ASME标准计算，工作介质泄漏允许值来源于EPA/API.

3.2.2 泄漏预判断方法及应用 法兰泄漏是一个非常复杂的问题，涉及到法兰形式、法兰等级、垫片属性、螺栓以及相对刚度、预紧力、法兰温度梯度和外部载荷等因素[13-14]，并且垫片应力在外部载荷作用下的变化是个高度非线性的复杂问题，所以对法兰在操作工况且有外部弯矩作用下的泄漏进行预判断，是非常困难的.然而，无论是在法兰设计中，还是法兰校核中，对法兰泄漏情况进行定量预判断都有着非常现实的意义.像ANSYS、Abaqus等有限元软件解决这类问题计算过程比较复杂，下面主要是结合专门用于法兰连接分析的有限元软件(AxiPRO)对法兰泄漏预判断方法的探讨及应用，该软件采用的是ASME BFJ(Bolted Flange Joint)法则和垫片非线性属性模型.

由文献可知：依据垫片的应力分布可以推断法兰的泄漏情况及泄漏趋势[12].所以选择垫片的应力分布作为法兰泄漏预判断的依据，具体判断步骤如下：

(1)确定垫片的最大应力要求和最小应力要求垫片的最小应力要求是保证法兰连接不泄漏的最低标准，最大应力要求是保证垫片有效性能的最大值.

实例中，通过软件计算可得垫片的最小应力要求为6.201 MPa(保证密封性)，最大应力要求为151.580 MPa(保证垫片正常的力学性能).

(2)分析垫片的应力分布情况

实例中垫片的应力分布情况如图5所示.

图5 垫片应力分布Fig.5 Gasket stress distributions注：

由图5可知：①在预紧状态下，垫片的应力分布沿径向由内向外逐渐增大，外边缘最大应力约59 MPa，位于螺栓的连接部位，此处由于螺栓预紧力的作用使得垫片应力最大.②在操作状态下，受压侧垫片外边缘的最大应力上升到65 MPa，受拉侧降到51 MPa.

(3)预判断垫片的泄漏情况

由步骤(2)的分析结果可知：极端情况下的垫片应力分布都在许用应力范围内，理论上不会泄漏，即使要泄漏的话，泄漏最易发生在以1#螺栓(迎风侧)为中心顺时针偏转18°和逆时针偏转18°的地方.

除此之外，还可以通过分析有限元软件的计算结果，寻查法兰的泄漏原因.众所周知，塔设备连接法兰的泄漏主要与法兰刚度、垫片类型、安装质量、螺栓预紧力和外部载荷等因素有关，可以控制单一因素，用有限元分析软件进行计算分析，寻查具体情况下的法兰泄露原因，若是垫片选择问题，可以考虑更换垫片；若是安装问题，可以考虑提高安装质量；若是螺栓预紧力不够，可以紧固螺栓；若是外部载荷过载，可以考虑降低外部载荷.

4 结 语

a. 在组合载荷的作用下，较大应力集中在法兰和塔节的连接处、法兰锥颈处、螺柱与螺孔的接触面和螺柱与螺母的接触面上；

b. 外部弯矩的变化对螺栓应力的影响不是很大，主要是引起垫片应力的再分布；

c. 垫片在外部弯矩的作用下，应力分布沿径向由内到外应力逐渐增大，最大应力集中在垫片的外边缘；

d. 外部弯矩下的法兰泄漏预判断问题可以参考有限元的计算结果进行分析，该判断方法简单易操作；

e. 运用有限元软件进行计算分析，可以寻查法兰泄漏原因，为解决法兰泄漏问题提供理论依据及更佳解决方案.

参考文献：

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