王 勋
(天津博迈科海洋工程股份有限公司,天津 300452)
在石油化工、海洋油气行业,法兰作为管道连接件应用非常广泛,不论是作为管道可拆卸段的连接,还是与设备、阀门、仪表等的连接,都起着至关重要的作用。法兰连接通常是指由法兰、垫片及螺栓组成的可拆卸连接结构。法兰看似只是工程装置中微小的一部分,实则影响巨大。法兰如若发生泄漏,小则造成物料流失浪费、装置维修停车;大则造成火灾爆炸、人员伤亡,特别是当流体为易燃易爆、高温高压的介质时。因此,在设计阶段减少法兰泄漏的可能性是非常有必要的。
工业装置和管道中的法兰,除承受内外压外,还要承受管道及介质质量、热膨胀、振动等引起的轴向力和弯矩的作用。通常法兰的设计(例如ASME B16.5)是没有考虑管道弯矩等的影响,为防止在操作条件下发生泄漏和可能出现的损坏,必要时需要对已经选定的标准法兰进行可靠性校核,以判断是否需要采取进一步的安全措施[1]。
法兰应放在受外部弯矩尽可能小的地方。法兰校核的要求一般会在招标文件或者项目规格书中提及,每个项目会有不一样的要求,作为常规要求,可以参照以下情况:①法兰等级在900磅及以上的高压法兰连接处;②法兰尺寸在24”(609.6mm)及以上的所有法兰连接处;③承载碳氢化合物或其他可燃性流体的法兰连接处;④4”(101.6mm)及以上的安全阀管线法兰连接处;⑤所有夹套管的法兰连接处;⑥应力工程师发现的所有较大弯矩的法兰连接处等。
本文基于CAESAR II-2019软件介绍了3种校核法兰泄漏的方法,并通过实例对比论证了3种方法的区别。此3种方法分别为:①Kellogg当量压力法(Equivalent Pressure Method);②ASME Section VIII应力计算方法;③NC 3658.3最大屈服强度法。
Kellogg当量压力法认为法兰连接处的所有外部载荷均作用在垫片上,轴向应力应处于安全范围内[2]。在这个方法中,没有考虑螺栓力的影响,作用在法兰上的轴向力和弯矩转化成了当量压力(Peq),将这两个当量压力与设计压力相加得到总的当量压力,并根据法兰材料与ASME B16.5中的压力-温度等级表进行对比,如果总的当量压力小于等级表中相应温度下的许用压力,即判定法兰不会泄漏。此方法简单可靠,但是过于保守。计算公式如下:
其中,Peq为当量压力;M为作用在法兰上的弯矩;G为法兰垫片上的有效直径;F为作用在法兰上的轴向力;PD为设计压力。
此方法在CAESAR II中的应用也比较简便,首先正确建模,模拟管道、阀门、法兰等;然后双击勾选Flange Checks,再选择Peq方法,点击Read from File…选择相应的标准法兰;需要的数据就会自动填入,最后软件会自动计算后比对校核。需要注意的是垫片直径G值,软件自动取的平均值,必要时需要根据标准ASME B16.20和ASME Sec.VIII更新G值。Peq方法在CAESAR II中的应用见图1。
图1 Peq方法在CAESAR II中的应用
ASME Section VIII方法主要是对ASME和ANSI法兰应力和泄漏的计算,法兰应力计算方法来源于:①ASME Section VIII;②ANSI B16.5 Rating Tables。计算的法兰应力包括法兰颈部轴向应力(Longitudinal Hub Stress)、法兰的径向应力(Radial Flange Stress)和法兰切向应力(Tangential Flange Stress),将计算的法兰应力与标准中法兰许用应力进行对比,若在许用范围内即满足要求。除了计算以上法兰应力,还需要计算作用于螺栓上的载荷产生的法兰力矩,详细的计算方法可以参考以上标准。
在CEASAR II中,ASME Section VIII方法是在Peq方法校核失败的时候使用。Peq方法通常被认为非常保守,且没有提供实际的结果,很多情况下,即使法兰承受的轴向力和弯矩非常小,依然校核失败。因此,应力工程师常在Peq方法校核失败后,取用Peq方法计算的轴向力和弯矩来计算法兰的应力。
该方法同样是利用标准法兰提供的剩余强度,即使没有直接涉及外部载荷,经大量工程实践证明是可行的[3]。需要注意的是,此方法在实际计算中会存在一个无法解决的问题,即螺栓的预紧应力(seating stress)在是否有轴向力和弯矩的情况下均超出许用应力值。
ASME Section VIII方法在CAESAR II中是作为单独的板块存在的(见图2),此方法的输入需要查阅法兰、垫片、螺栓等标准,计算的大致步骤如下:首先,对管系做静态分析,读取法兰的轴向力和弯矩;然后,进入Analysis下的ASME/ANSI Flanges模块。需要注意的是,此模块每次进入需要建立一个新的文件名,通常按管径和管道等级分类,每类建一个计算文件;再次,查阅相关标准依次输入法兰、螺栓和垫片、材料数据和载荷数据。其中,载荷数据的输入取每一类中Peq方法未校核通过的最大轴向力和弯矩;最后,运行计算,查看比对应力结果,并根据情况做出相应调整。
图2 ASME Section VIII方法在CAESAR II中的应用
此方法认为管道介质内压以及由管道变形所产生的弯矩和扭矩都施加在螺栓上,并且假定应力都均匀分布在螺栓孔所处圆周上,如果螺栓发生破坏,则法兰泄漏[2]。使用此方法校核法兰泄漏,需要满足以下两个条件:①法兰、螺栓、垫片的设计使用满足ASME B16.5的要求;②螺栓材料的许用应力值在100℉(38℃)下不小于20 000Psi(138MPa)。
使用NC 3658.3方法需要将外部产生的弯矩或扭矩约束在以下公式的范围内,注意以下公式的常量是英制,转换成公制后,公式中的36 000和3 125应该是248.22和21.6:
非偶然荷载工况:S=36 000×Mfs/(CAb×3 125)≤Min(Sy,36 000)
其中[3]:S为法兰应力;Mfs为非偶然荷载工况下,作用于法兰上的弯矩或扭矩(取大值);Mfd为偶然荷载工况下,作用于法兰上的弯矩或扭矩(取大值);Sy为设计温度下法兰材料的屈服强度;C为螺栓圆周直径;Ab为螺栓总截面积。
从以上公式可以清晰地看到,螺栓数据和螺栓材料屈服强度作为CEASAR II的输入,同Peq方法一样,在使用NC 3658.3方法校核法兰泄漏时,首先需要正确建模,模拟出管道、阀门、法兰等;然后双击勾选Flange Checks,再选择NC-3658.3方法,查阅相关标准输入螺栓总截面积、螺栓圆周直径和法兰材料的屈服强度;最后,软件会自动计算后比对校核。NC-3658.3方法在CEASAR II中的应用见图3。
图3 NC 3658.3方法在CAESAR II中应用
本文选取某项目“三备一用”板式换热器出口管线进行应力分析计算,对阀门法兰连接处进行校核,对比分析以上3种法兰校核方法,并推荐了1种国内外工程公司常用的法兰泄漏校核流程。某项目板式换热器出口管道18”(457.2mm),壁厚STD,材质为API 5L GR B,流体介质为冷媒流体,密度为1 000kg/m3,操作温度为33℃,设计温度为93.3℃,材料最低使用温度为-29℃,设计压力为1.6MPa,水压试验压力为2.4MPa。出口处有一段可拆卸的连接段,后面紧跟一个切断阀,然后汇入总管,管道布置见图4。
图4 管道应力分析模型
使用Peq方法分析计算的结果见表1。使用ASME Section VIII方法分析计算的结果见表2。使用NC 3658.3方法分析计算的结果见表3。
表1 Peq方法分析计算结果
表2 ASME Sec.VIII方法分析计算结果
表3 NC 3658.3方法分析计算结果
以上案例在实际运行中是可行的。但是Peq方法校核失败,说明此方法过于保守,配合ASME Section VIII方法校核就可以通过;同样NC 3658.3方法也能校核通过。以上案例说明,ASME Section VIII方法和NC 3658.3方法对实际情况的模拟相对更真实。
在国内外一些大型工程公司中,一般结合以上3种方案按以下流程(见图5)校核法兰泄漏,都能保证现场实际运行过程的安全稳定。首先用Peq方法校核,如果通过,则设计上法兰不泄漏;若校核不通过,再用ASME Section VIII方法校核,通过则设计上法兰不泄漏,失败就需要分析具体的原因,修改调整后再重新校核,直到通过为止;仅螺栓的预紧应力在不论是否有轴向力和弯矩的情况下,均超出许用应力值时,才使用NC 3658.3方法进行校核。此流程不唯一,各个项目可能会有不同的要求,仅对如下流程推荐使用。
图5 法兰校核流程
(1)本文论述的3种法兰校核方法原理不同。Kellogg Peq法认为法兰连接处的所有外部载荷均作用在垫片上,NC 3658.3方法认为管道介质内压以及由管道变形所产生的弯矩和扭矩都施加在螺栓上,而ASME Section VIII方法主要是对法兰应力进行计算比对。
(2)本文论述的3种法兰校核方法在CAESAR II中的输入复杂程度不同。Kellogg Peq法输入简便快捷,而ASME Section VIII和NC 3658.3方法需要在相关标准中查阅大量数据。
(3)本文论述的3种法兰校核方法的结果存在偏差。Kellogg Peq法相对较保守,计算结果与现场实际情况有偏差;ASME Section VIII和NC 3658.3方法相对更精确,与实际情况更接近。
(4)本文结合以上3种法兰校核方法,推荐了1种在国内外工程公司应用较广泛的校核流程。主要使用Peq结合ASME Section VIII的方法校核,仅螺栓的预紧应力(seating stress),在无论是否有轴向力和弯矩的情况下均超出许用应力值时,才使用NC 3658.3方法进行校核。