外载作用下小口径设备管口法兰校核方法的探讨

张军文

(中国石化工程建设有限公司,北京100101)

螺栓法兰连接是在压力容器和压力管道中广泛应用的连接形式【1】,由于其拆卸方便、结构简单,在现代石化行业中的应用越来越广泛【2-4】。螺栓法兰连接按其所对应的专业可划分为设备用法兰(容器法兰)、管道用法兰及设备与管道相接的管口法兰。设备和配管两个专业在各自的法兰设计及选用上,根据本专业的需求形成了一套相对独立的设计习惯及所对应的国内外标准体系,并在工程实践中得到了很好的验证。由于设计习惯的不同,在两个专业相接的管口法兰处,常常会产生很多交叉的问题。以国内某项目DN80的设备管口法兰为例,其所接管道是催化剂返回线,设备的设计温度为424℃,设计压力为0.8 MPa,设备筒体材质为14CrMoR,接管材料为P11,管口法兰选用的是5.0MPa、密封面为RF的标准法兰。因为催化剂对管道的磨损较大,为延长管道使用寿命,工艺专业要求管道尽量减少弯头的使用,并将管道壁厚等级由Sch80提升至Sch160。经计算,管口法兰所承受的外载分别是:径向弯矩ML＝3801N·m,环向力矩Mc＝1040N·m,扭矩MT＝1214N·m。将该受力数据提交至设备专业确认时发现,管口根部可以采用提高设备筒体壁厚或加大接管壁厚的方法通过局部应力的校核,但是管口法兰无法通过当量压力法的校核,需要将管口公称压力由5.0 MPa提升至26.0 MPa,这样的结果显然不尽合理,但如果采用增加管道柔性的方式来通过管口法兰校核,则需要增加4～5个弯头及一定的直管段,这就相当于为防止管口法兰泄漏,需增加4～5个磨损点,这么做显然也不够合理。在尝试使用其他校核方法解决该问题时,得出了截然不同的结果。本文在此基础上通过扩大求解范围,得出外载作用下采用各专业不同侧重的管口法兰校核方法产生的不同结果,可为外载作用下小口径管口法兰校核方法的选择提供一些参考意见。

1 法兰的分类

1.1 设备用法兰

设备用法兰(容器法兰)主要是指除设备管口法兰外的设备法兰,其设计准则主要分为两大体系,一类是以ASME为代表的美洲法兰体系,另一类是欧盟法兰设计标准EN1591【5】。前者的设计特征是基于法兰强度的计算,设计思路是首先通过垫片系数m、y确定最小垫片力,以及确定预紧和操作工况下法兰的螺栓荷载,然后再进行法兰弹性强度校核【6】;后者是基于法兰密封紧密度的设计方法,验证安装工况和后续工况下法兰、螺栓和垫片的紧密度和强度。

对于设备用法兰,在具体工程应用方面有如下特点:非标法兰占一定比例;法兰直径较大;在设计过程中主要以承压的强度设计为主,基本不考虑外载作用。比较有代表性的有手孔、人孔法兰及换热器管、壳程连接处的法兰。手孔、人孔法兰基本不存在外载的作用;而换热器管、壳程连接处法兰即便有外载作用在换热器管口上,相对于管、壳程连接法兰的口径及换热器的支撑方式来说,其外载影响效果折算至连接法兰处也基本可以忽略。基于以上原因,设备用法兰在设计习惯上一般不考虑外载的作用。

1.2 管道用法兰

管道用法兰,在此特指用于管道与管道、管道与阀门之间的连接法兰,该类法兰的设计选用主要以标准法兰为主。因为非标法兰使用较少,所以法兰的强度校核在管道法兰中较少被使用及讨论。而运行过程中因管道应力分布不均带来的附加外力及力矩【7】是造成管道用法兰泄漏的主要原因,需重点关注。但ASMEB31.3并没有对法兰外载的处理提出明确的方法和公式【8】,国内石化行业标准也仅要求对剧烈循环工况和内部液体为极度危害介质的管道进行法兰校核【9-10】。

外载作用下法兰的校核方法主要有当量压力法、NC3658.3的校核方法(以下简称NC3658.3)、ASME SectionⅧ法兰应力计算方法(以下简称ASMEⅧ)及EN1591的校核方法(以下简称EN1591)。

1.3 设备管口法兰

设备管口法兰,在此特指压力容器上与管道相接的管口法兰。该类法兰的设计归属于设备专业,因其与管道法兰相接,因此主要以标准法兰为主,但是其设计却是基于设备专业法兰设计的习惯,主要进行压力作用下的强度设计,较少考虑外载作用情况。SH/T 3074—2018(以下简称SH/T3074)中关于外载作用下的法兰校核方法仅给出了当量压力法,而对于小口径的管口法兰,在使用当量压力法校核时会产生一定的问题【11】。

通过上述内容可以看出,目前主要的法兰校核方法有:①当量压力法;②NC3658.3;③ASMEⅧ;④EN1591四种方法。在有外载存在的情况下,设备专业常用的是第①、③两种方法来校核,配管专业常用的则是第①、②种方法,而第④种方法虽然两个专业都有提及且被认可,但是因其计算过程复杂,且属于欧洲体系的标准,在国内工程项目中较少被使用。

2 外载作用下法兰校核方法的介绍

2.1 当量压力法

当量压力法出自Kellogg工程公司,其计算公式见式(1)。

式中:Pe——计算出的当量压力,MPa;

P——设计内压力,MPa;

F——轴向力,N;

M——弯矩,N·mm;

G——垫片载荷作用位置处的直径,mm。

该方法已被大量的工程应用证明有足够的安全性,但也被一些文章指出其保守性【7,12-13】。其保守的主要原因有两点:1)法兰接头是由法兰、螺栓、垫片组成的一个密封系统,法兰的外弯矩是同时作用于螺栓和垫片的,作用于垫片环面的弯矩只是法兰接头系统所受外弯矩荷载的一部分;2)当量压力法在推导过程中把垫片的非均匀荷载转化为大小均匀的作用在垫片上的拉应力【7】,而外力矩在当量压力折算中占比较重,尤其是对于小口径法兰。

使用当量压力法校核本文案例中的法兰时,校核结果为许用值的445%[后续校核结果均用(计算值/许用值)×100%来表示,当校核结果≤100%时为通过,反之为不通过],需要将法兰公称压力至少提升至26.0MPa才能通过该方法的校核。

2.2 NC3658.3

NC3658.3的校核方法出自ASMEBPVCⅧDivision1NC分卷,适用于DN650(26″)以下的ASME法兰【12】。该方法在校核时将法兰看作一个整体,并将其应力与法兰材料的屈服强度进行比较【14】。尽管【12-14】各种研究均在结论中指出该方法为更优的法兰校核方法,但是笔者认为该方法同样存在一定的缺陷,具体来说就是,法兰、螺栓、垫片作为密封的三元素,该方法仅考虑了前两者而忽略了垫片的影响。使用NC3658.3校核上述法兰时,校核结果为127.2%,且11.0 MPa法兰校核结果与5.0MPa完全一样,15.0 MPa法兰的校核结果为96.83%。虽然使用NC3658.3能将法兰公称压力降至15.0 MPa,但因其属于核

电行业的校核标准,且存在一定的缺陷性,所以该方法计算结果的可信度需要进一步论证。

2.3 ASMEⅧ

该方法先把外载转化为当量压力,然后用当量压力代替设计压力,再用ASME方法进行计算【8】。其主要问题有两点:1)标准法兰的尺寸及温压曲线值并不是通过ASME的强度计算获取的,部分标准法兰自身就无法通过强度计算,如再加上外载所转化过来的当量压力就更加无法通过强度计算;2)当量压力的折算是基于当量压力法,而该折算方法本身就有点保守。ASMEⅧ方法的可取之处在于部分法兰可采用改变锥段或法兰厚度的方法来通过计算。鉴于本文主要讨论小口径的标准管口法兰,而该方法常常需要设计出非标法兰来解决外载超标的问题,故本文不展开讨论。

2.4 EN1591

EN1591的校核方法主要有以下几个特点:1)计算方法上较为先进,基本不存在理论缺陷,充分考虑了法兰、螺栓、垫片三者的相互影响,同时还考虑了三者热膨胀变形的影响;2)可以计算多种工况并至少需计算初始装配、压力试验及正常运行三种工况【15-17】;3)该方法是基于法兰密封紧密度的设计方法,既能保证泄漏率达到规定要求,又能保证法兰的结构完整性需求,此外,该方法使用的垫片参数由试验确定,确保了设计结果的可靠性【6】。使用EN1591校核上述法兰时,校核结果为41%,5.0MPa法兰已能满足设计要求。

3 外载作用下三种法兰校核方法的结果对比

上述几种方法得出的结果完全不同,差别比较大,为了能够更好地反映出问题,本文采用当量压力法、NC3658.3及EN1591三种方法,对小口径(公称直径DN200及以下,后续本文仅讨论该部分法兰)、低公称压力(15.0 MPa及以下)的管口法兰进行校核,并对校核结果进行对比分析。为简化计算,设备管口法兰定为封头顶部的管口法兰,外载仅考虑对法兰校核结果产生影响的轴向力、扭矩及两个方向相等的径向弯矩,作用在管口法兰的外载按式(2)～式(4)取值,这些公式与SH/T3074一致。为了更好地暴露问题,b的取值参考SH/T3074附录D中的表D.1-2并有一定增大,如表1所示。取法兰材料为A182F11,螺栓材料为25Cr2MoVA,2.0 MPa～11.0 MPa垫片采用带定位环的缠绕垫,15.0 MPa法兰垫片为金属垫,金属材质为5Cr-1/2Mo。计算温度取为300℃,计算压力按计算温度下法兰温压曲线对应压力的50%取值。使用EN1591方法时,最大垫片工作应力等关键参数取自EN1591-2,泄漏率按较高值取值,校核准则按式(5)取值,当φmax＜1时进行相应的折算,式(5)中各符号的定义及取值详见EN1591-1,后续所列的结果均为折算后的值。

式中:FA——轴向力,N;

b——见表1;

表1 b的取值

D——接管的公称直径,mm。

式中:ML——径向弯矩,N·m。

式中:MT——扭矩,N·m。

从图1所示的外载作用下当量压力法的校核结果中可以看到,用该方法校核时,其结果呈现出以下几个特点:1)小口径法兰的校核结果都是不通过;2)2.0MPa的法兰超标较为严重,最低的也超过了300%;3)随法兰口径增大,超标值呈下降趋势,并逐渐回归至一个相对来说比较合理的结果。产生这一结果的主要原因是,小口径法兰的垫片载荷作用位置处的直径过小,外载尤其是力矩通过该值转换的当量压力过大,从而造成校核结果的失真。这也是为什么在很多海外项目中一般不会用当量压力法来校核小口径管法兰的原因。

图1 外载作用下当量压力法的校核结果

从图2所示的外载作用下NC3658.3方法的校核结果中可以看出,用该方法校核法兰时,存在以下几个特点:

图2 外载作用下NC3658.3方法的校核结果

1)除了2.0 MPa、DN200的法兰外,其余法兰的校核结果都是通过的,结果较为理想。

2)当法兰口径增大时,超标值呈波动式变化。产生这一结果的主要原因是该校核方法仅考虑外载对于螺栓及法兰的影响。小口径法兰螺栓面积较大,可承受相对于这一口径法兰来说较大的外载,同时螺栓的面积也不是线性增长的,有些公称压力相同、口径不同的法兰对应同一规格和数量的螺栓(如5.0 MPa的DN65、DN80、DN100的法兰对应的都是8组M20的螺栓),还有些公称压力不同、口径相同的法兰也对应同一规格和数量的螺栓(如DN65和DN80口径下,5.0 MPa和11.0MPa法兰对应的都是8组M20的螺栓),这就造成公称压力相同、口径不同的法兰或者是同一口径、不同公称压力的法兰所能承受的外载是相同的或接近的,这一结果明显不合理。在校核过程中还发现,校核结果与外载中的力矩成线性关系,内压的变化对于校核结果不产生任何影响。由上述分析可知,NC3658.3的校核方法存在一定的理论缺陷,该方法因其对于小口径法兰校核结果较为理想而被广泛使用,但是在使用过程中应注意内压占比的影响。

从图3所示的外载作用下EN1591方法的校核结果中可以看到,用该方法校核法兰时,存在以下几个特点:

图3 外载作用下EN1591方法的校核结果

1)校核结果全部通过,除2.0 MPa、DN200法兰达到60%外,其余结果均在45%以下。

2)校核结果没有明显的变化趋势可言。产生这一结果的主要原因是,该校核方法考虑因素较多,基本上能够对法兰校核结果产生影响的因素都涵盖了,因此无法呈现出一个明显的趋势。

图4～图7是不同公称压力下三种方法校核结果的对比。从图中可以看出:对于小口径法兰,EN1591的校核结果最小,其次是NC3658.3,最大的是当量压力法;EN1591的校核结果比NC3658.3低至少30%,说明即便是将外载值增至一个较大值,使用EN1591的方法校核仍能取得较为理想的结果。

图4 三种校核方法针对于2.0 MPa法兰的校核结果对比

图5 三种校核方法针对于5.0 MPa法兰的校核结果对比

图7 三种校核方法针对于15.0 MPa法兰的校核结果对比

图8～图11给出了介质压力变化或外载条件变化时使用EN1591方法校核的结果对比。从图中可以看出,无论是外载增加1倍(其余条件不变)还是压力提高50%(其余条件不变),校核结果较之前的结果增幅都不大,不超过10%。从这一结果中可以得出:

图8 2.0 MPa法兰用EN1591方法校核外载或压力提升前后结果对比

图11 15.0 MPa法兰用EN1591方法校核外载或压力提升前后结果对比

1)外载或内压与校核结果为非线性关系;

2)内压或外载的变化对于不同的法兰有不同的影响,如15.0 MPa、DN200的法兰对于压力变化的影响更为敏感;

图6 三种校核方法针对于11.0 MPa法兰的校核结果对比

图9 5.0 MPa法兰用EN1591方法校核外载或压力提升前后结果对比

图10 11.0 MPa法兰用EN1591方法校核外载或压力提升前后结果对比

3)对于小口径、低公称压力的标准法兰,法兰本身留有较高的安全裕量,能够保证法兰在满足内压条件的同时承受较大的外载。

4 结论

综上所述,本文采用工程上常用的三种法兰校核方法,针对小口径、低公称压力的标准法兰进行了大量计算分析,通过对算例结果进行对比研究,得出以下结论:

1)对于小口径法兰,当量压力法中垫片载荷作用位置处的直径取值过小,从而造成外载尤其是力矩通过该值转换的当量压力过大,进而造成校核结果存在一定的失真,但是该方法的安全性却有足够的保证。笔者建议对于该范围内的法兰可优先选用当量压力法来校核,如无法通过,再采用其他校核方法综合论证法兰在外载作用下的安全性。

2)NC3658.3的校核方法仅考虑外载对于螺栓及法兰的影响,而小口径法兰螺栓面积较大,可承受相对于这一口径法兰来说较大的外载,但是螺栓的规格和数量受限于法兰面尺寸的影响,并非线性增长,这就造成公称压力相同、口径不同的法兰或者是同一口径、不同公称压力的法兰所能承受的外载是相同的或接近的。同时该校核方法的校核结果与外载中的力矩成线性关系,而内压的变化对其不产生任何影响。该方法存在一定的理论缺陷,在使用过程中应注意内压的影响。

3)采用EN1591方法校核的结果比上述两种方法更理想。采用该方法校核时,外载或内压与校核结果为非线性关系。小口径、低公称压力的法兰本身留有较高的安全裕量,能够保证其在满足内压条件的同时承受较大的外载。虽然计算结果较为理想,但是也需注意,该方法在国内工程项目中应用较少,适用性和可靠性需要进一步论证,切不可盲目追求计算结果的理想化而忽视其合理性。