工程设计阶段法兰泄漏分析及校核

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(中国五环工程有限公司，湖北 武汉 430223)

法兰作为一种连接件，在石化、石油等工程以及气、水等市政设施中必不可少，且常大量应用于不同管道、管道与设备、管道与仪表、管道与阀门及管道与其他管道元件之间的连接。在运行过程中，若因法兰出现泄漏而造成管道内介质外泄，不仅会产生流体或能量损耗，而且会影响正常的生产和效率。特别是在石油石化领域，由于管道内介质大都具有腐蚀性，甚至部分介质还具有易燃易爆和毒性，这些管线的法兰一旦出现泄漏，不仅会影响正常生产，而且泄漏的介质会污染环境，严重情况下会停车，造成重大经济损失，甚至发生爆炸。所以，为防止法兰在运行过程中出现泄漏或潜在性损坏，法兰泄漏应该作为一个重要问题得到重视。本文分析了法兰泄漏的原因，并对工程设计阶段法兰泄漏的校核方法、原理及选择进行了研究。

1 法兰泄漏原因分析

一般情况下，通过螺栓紧固对法兰施加预紧力，使垫片产生弹塑性变形，将变形后的垫片填充到法兰密封面的水线之间，从而阻止管道内介质出现向外流动，来实现法兰密封。法兰泄漏除了和垫片材质、性能有关外，还受法兰密封面的结构形式、法兰刚性、安装水平及操作工况等诸多因素的影响。

法兰泄漏通常分为两种：界面泄漏和渗透泄漏。界面泄漏是指流体介质通过法兰与垫片之间的接触面的流动，也称为密封面的泄漏；渗透泄漏是指当法兰之间的垫片为纤维制成的非金属垫片时，流体介质通过纤维间的细小间隙流动。通过这两种泄漏方式，石油石化等装置中常常会出现流体介质跑、冒、滴和漏的现象。通常情况下，界面泄漏比渗透泄漏对阀门、管道、仪表和设备等产生的危害更大。所以，现在的密封技术大多是防止法兰产生界面泄漏。

2 法兰泄漏校核方法

法兰泄漏的校核方法有基于当量压力的Kellogg Equivalent Pressure Method和NC-3658.3公式法[1-3]、基于操作工况和垫片安放工况的ASME BPVC规范Ⅷ-1卷法等校核方法、基于泄漏率准则的PVRC法和基于整个法兰、垫片、螺栓联接接头的系统特性的EN1591法。

上述校核方法采用了不同的作用机理，当量压力法将法兰面上的轴向力和弯矩转化为当量压力，然后将其与操作压力之和与法兰最大许用工作压力比较；ASME BPVC规范Ⅷ-1卷法则是考虑了法兰面静压荷载和垫片压紧力，是按照操作和预紧垫片两种设计条件进行计算，并选取较苛刻的条件进行设计[4]。

以ASME为代表的新方法PVRC，是基于华脱斯法，引入紧密性参数，用来评价法兰接头是否密封安全。由于对其中垫片系数数据的可靠性和可重复性存在争论，此法尚未被ASME采用。以EN为代表的新方法EN1591，是基于德国标准DIN2505法，考虑了整个法兰、垫片螺栓连接接头的系统特性，对法兰进行强度设计和密封性设计计算，已被欧盟压力容器建造标准EN13445采用。但是，此法考虑的因素较多，计算过程复杂，目前为止，其应用和使用的经验还很少[5]。

下面就工程实际中常用的校核方法进行说明和模拟分析。

2.1 Kellogg Equivalent Pressure Method校核方法

Kellogg Equivalent Pressure Method(以下简称Peq法)法兰校核方法是基于当量压力法的一种，也称为等效压力法，是将法兰上承受的力和力矩被认为是等效作用到垫片上，然后与法兰的最大许用工作压力比较。

Peq法校核计算公式为：

Peq=16M/πG3+4F/πG2+PD=压力等级

(1)

其中，Peq为当量压力(用于校核法兰等级)；M为作用在法兰上的弯矩；G为垫片的有效工作直径；F为作用到法兰上的轴向力；PD为设计压力。

2.2 NC-3658.3公式校核方法

NC-3658.3公式法来源于ASME BPVC Section 3 Subsection NC-3658.3，也是基于当量压力法，此方法是将法兰上承受的力和力矩、扭矩等等效作用到螺栓上，然后与法兰的最大许用工作压力比较。但是应用此方法需要满足下面两个条件：①法兰、螺栓和垫片符合ASME B16.5a的要求；②螺栓材质为38℃下许用应力≥138MPa(g)的高强度螺栓。

NC-3658.3公式为：

S=248.22×Mfs/(CAb×21.6)

=Min(Sy，248.22)non-Occ Load Case

(2)

S=248.22×Mfd/(CAb×21.6)

=2.0×Min(Sy，248.22)Occ Load Case

(3)

其中，S为法兰应力；Mfs为在非偶然工况下，弯曲或者扭转两者作用在法兰上较大的弯矩；Mfd为在偶然工况下，弯曲或者扭转两者作用在法兰上较大的弯矩；Sy为设计温度下，法兰的屈服强度；C为螺栓孔直径；Ab为所有螺栓横截面积之和。

因为Peq法相对于NC-3658.3公式法，从校核计算公式上比较直观，易于理解，同时计算结果具有一定的保守性，国内标准如GB/T20801和HG/T20645等均倾向于采用此方法进行法兰泄漏校核。

2.3 ASME BPVC规范Ⅷ-1卷法

此法是将垫片(材料、型式及尺寸)、密封面、螺栓、法兰颈的比例、法兰宽度与厚度的选择等均考虑到设计中，根据操作工况和预紧工况中起决定作用时的一种工况，法兰的应力按照下列公式计算。

法兰具有颈部时，其颈部纵向应力：

(4)

法兰径向应力：

(5)

法兰切向应力：

(6)

法兰无颈部或者有颈部，但不考虑颈部时：

(7)

3 建立分析模型

本文设计的模型为一段独立管系，管道布置及其与设备的连接见图1。模型采用CAESERⅡ软件作为建模、分析及法兰泄漏校核工具，设计参数见表1。

图1 分析模型

表1 模型分析设计参数

图1管道模型中管道的长度见表2。其中，E1、E2为2个换热器设备，E1/A和E2/B为与设备管口相连接法兰的焊接面，距离b点3 500mm处设置弹簧支撑，其中，a、b、c、d均为弯头中心点。

表2 管道模型长度参数

4 模型分析

(1)采用FRQ法和NC-3658.3公式法分别对模型中法兰进行校核，结果见表3、表4。

表3 采用FRQ法校核法兰泄漏结果

表4 采用NC-3658.3公式法校核法兰泄漏结果

(2)增加管道柔性时校核法兰泄漏。在原模型的基础上将a-b长度和c-d长度由3 000mm加长至5 000mm后，增加了管道柔性，采用FRQ法和NC-3 658.3公式法分别对模型中法兰泄漏进行校核分析，结果见表5、表6。

表5 采用FRQ法校核法兰泄漏结果

表6 采用NC-3658.3公式法校核法兰泄漏结果

(3)在原模型的基础上将法兰等级由150LB提高至300LB(磅)后，提高了法兰等级，采用FRQ法和NC-3 658.3公式法分别对模型中法兰泄漏进行校核分析，结果见表7、表8。

表7 采用FRQ法校核法兰泄漏结果

表8 采用NC-3 658.3公式法校核法兰泄漏结果

(4)采用ASME BPVC规范Ⅷ-1卷法对模拟模型进行法兰校核，计算及分析结果见表9、表10。

表9 采用ASME BPVC规范Ⅷ-1卷法的应力计算结果 kPa

续表

表10 采用ASME BPVC规范Ⅷ-1卷法的法兰泄漏校核结果

5 结果分析

(1)由表1与表2、表3和表4、表5和表6对比可知，在相同工况下，采用NC-3658.3公式法校核法兰泄漏得到的应力结果要小于FRQ法校核的应力结果，即采用NC-3658.3公式法更容易满足法兰校核要求，而FRQ法的结果偏于保守。

(2)由表1与表3、表2与表4对比可知，管道柔性增加后，作用于E1/A和E2/B上的弯矩均减小，同时当量压力或法兰应力也相应减小，降低了法兰泄漏的风险。

(3)由表1和表5、表2和表6对比可知，提高法兰等级后，螺栓孔直径和螺栓面积增大，当量压力不变的情况下，许用压应力相应增加，增加了法兰抗泄漏性能。

(4)由表7和表8对比可知，采用ASME BPVC规范Ⅷ-1卷法，考虑了垫片、密封面等因素，能够清晰地显示在操作工况和垫片安放工况下，法兰颈部纵向、法兰径向、法兰切向和螺栓处等各个具体作用点的校核结果。

6 结语

在实际工程设计过程中，FRQ操作方法较NC-3658.3公式法简便，NC-3658.3公式法较ASME BPVC规范Ⅷ-1卷法简便。但是FRQ法较NC-3658.3公式法校核结果偏于保守，采用ASME BPVC规范Ⅷ-1卷法需要对垫片(材料、型式及尺寸)、密封面、螺栓、法兰颈的比例、法兰宽度与厚度等参数进行选择，过程繁多，综合校核效果和操作过程，通常采用NC-3658.3公式法校核法兰泄漏。

对于输送高温、高压、剧毒等重要的介质及存在剧烈循环振动，或与动设备连接等重要工况的管线法兰，建议采用ASME BPVC规范Ⅷ-1卷法校核，此法考虑了垫片、密封面等因素，校核结果更接近实际工况，同时能够显示法兰颈部纵向、法兰径向、法兰切向和螺栓处等各个具体作用点的安全性能。

若采用上述方法后的法兰均不能校核通过，则需要增加管道柔性。若法兰恰巧处于易变形且无法调整的位置，同时管道柔性很难降低等诸多常规方法无法解决的情况下，可以将此处法兰的等级提高一个磅级，增加法兰许用压应力。