压力管道设计中法兰校核方法探讨

第8 期 一 5一 压力管道设计中法兰校核方法探讨 张旭 ( 福 陆 ( 中国)工程 建设有限公司 ， 上海 2 01 1 O 3 ) 摘要分析了压力管道设计中选择法兰常用的工程方法，指出其方法的不足，通过分析和实例，提出了同时考虑法兰强 度和预判法 兰泄 漏的工程 方法。 关键词法兰；当量压力；应力计算；剩余强度；泄漏预判 在压力管道设计 中，经常遇到需要对法兰进 行强度和刚度校核 的问题 。法兰是少数需要 同时 兼顾应力和应变 的管道部件之一 。法兰连接 的设 计涉及到法兰本身 、垫片 、螺栓及许用值确定等 因素 ，特别是在介质有毒有害 的情况下 。在一定 的管道尺寸和压力 以及温度组合条件下 ，刚度校 核就更有必要 。 在现代石化工程 设计 中常用 的方法有两类： 当量压力法和应力计算法 。 1 当量压 力法，也称等效压 力法 此法 出自著名工程公司Ke l l o g g ，简单 明了， 已被大量的工程应用证 明具有足够 的安全 性 ，也 为我 国OB f r 2 0 8 0 1 所采用。对于承受 内压和外部载 荷的法兰 ( 如 图1 )，其本质是把轴 向应力控制在 一 个非常保 守的范围 内，所有外 部载荷被 认为作 用在垫片上。 轴 向力当量化为作用于垫片上的压力： P I = F ( 4 G ) = 4 F ( G ) (1) 管道弯矩 当量化为作用于垫片上的压力： P 2 - ( 4 M G ) ( n 4 G ) = 1 6 M ( G ) (2) 得出总的当量压力： P e = P + 4 F ( G ) q - 1 6 M ( n G 。 ) ( 3) 以上公式中螺栓力没有反映 ，认为外部载荷 完全作用于垫片之上 ，所得 当量压力与法兰标准 温度压力等级表对照 ，如果小于表 内压力则 为合 格 。此法简单可靠 ，在各工程公司使用 已经三十 多年，甚至在核工业规范NC 3 6 5 8 中也被采用 ，但 是过于保 守。原因在于： ( 1 )外部载荷实际上并不只作用于垫片，外 部载荷在垫片处产生的最大应力是在最外边沿处， 而 由压力产生的应力是均匀分布 的，见图2 所示。 ( 2 )当等级表 内压力作为当量压力作用在法 兰上 ，法 兰和垫 片的应力 并不知 道，即这个许用 压力的保守程度并没有量化反映。 下面 通 过 实例 说 明 。南 京某 项 目详 细 设计 中某工 艺管道 中采用碳钢锻制法兰 ，设计工况 ： 设计 压力P d =1 2 8 ，设 计温度 T d =1 8 5 ， 由管 路 引起 的外 载 ：M= 7 0 7 1 N m，无 外部轴 向力 。 按 当量 压力 法选 择 标准 法兰 有 两个途 径 ：一 是 不考 虑 外部 载荷 ，直接 依据 设计 压 力温 度和 材 料分类按照HG2 0 6 2 5 ( 美洲体系) 确 定法 兰等 级为 P N2 0 MP a ( Cl a s s 1 5 0 ) ，这个方法 从上世 纪3 O 年 代 就开 始 在美 国得 到应 用 ，被 大量 工程 实践 证 明有足够 的可靠性 。二是按照公式(1) (2) (3)得 出总的当量压力 ，再对照温度压力等级 表 确定法兰等级为P N 1 1 0 MP a( Cl a s s 6 o o ) 。可 以 看出二者差别很大 ，由于B 3 1 _ 3 并没有对法兰处外 部载荷的处理提 出 明确的方法和公式 ，所 以对于 现 场实际存在 的安全运行的法兰 ，很多在选 定过 程 中并没有考 虑 由管路引起的外部弯矩，可 见按 第 二种方法 处理是过于保守的，并没有考虑 到规 范中温度压 力等 级表本身具有 的安全裕度 ，也 即 法 兰在承受等 级表中许用压力时仍然具有相 当的 剩余强度 以抵抗 外部载 荷 。要量化剩余强度 必须 进 行应力计算，在应力计算法中可 以通过对 比看 到剩余强度。 图 l 作者简介：张旭 ( 1 9 7 0 一)， 男， 四川宜宾人， 硕士， 毕业于南 京工业大学，工程师，现任福陆 ( 中国)工程建设有限公司管道 应力 分析工程 师。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 一 论文广场 石 油 与 化 工 设 备 2 0 1 0 年第1 3 卷 2 应力计算法 近二十年石化 工程 中常用的法兰应力计算方 法是依据AS ME Di v l Ap p e n d i x 2 和AS ME Di v 2 Ap p e n d i x 3 ，实质上都是源 自T a y l o r - F o r g e 方 法 ，我国GB1 5 0 中法兰设计部分也是这个方法 ， 不直接考虑作用在法兰上的外部载荷，很 多情况 下外部载荷必须在设计中考虑 ，可 以通过先把外 部载荷转化 为当量压力，再用总 的当量压力代替 设计压力，G B T 2 0 8 0 1 也推荐了这种处理原则 。 该原则主要控制法兰颈部轴 向应力 ，法兰环 径 向应力 ，法 兰环切 向应力 ，表 l 是 以上 例子按 AS ME Di v l 计算所得结果 。 表1 应力计算结果 ( M P a ) 表中：S h 一法兰颈部轴向应力 ；S r 一法兰环 径 向应 力；S t 一 法兰环切 向应力 ：S c 一法兰组合 应力 ； 应力 计算 结果 表 明 ，标 准法 兰温 度 压力 等 级的制 定留有充分的剩余强度 ，从法兰强度看 ， 即使在 选用 法兰 等级 时不考 虑外 部载荷 ，所 选 P N2 O MP a 法兰也能承受相当的外部荷载 。由于石 化工程 中管路走 向复杂 多变，如果不进行应力计 算只是按照当量压 力确定温度 压力等级 ，在 同一 管路 中往往会 出现相 同管径和 操作温度压力下而 采用不 同压力等级法兰 的情况，造成工程成本上 升。正是 由于标准法兰等级提供的剩余强度 ，应 力计算法 即使没直接涉及外部载荷 ，经大量工程 实践证明是可行的。 图2 3法兰剩余 强度分析 3 1 标准法兰 我国HG2 0 6 2 5 及美 国B1 6 5 都没有明确指 出温 度压力等级表 中剩余强度的确定，笔者按照AS ME Di v l ，对P N5 0 MP a ( C l a s s 3 0 0 ) 级标准法兰进行 分析计算 ，温度2 0 0 C，材质2 0 钢 ，垫片为不锈钢 缠绕垫片，螺栓为C r Mo 钢 ，将等级表 中的许用压 力作用其上，分别 以法兰颈部轴 向应力 、法兰环 径 向应力、法兰环切 向应力 以及法兰组合应力和 其许用值为参数得到对比曲线，见图3 6 。 从 图中可 以看出，随着管径增大 ，剩余强度 总的趋势是减少 ，因此在管道设计 中大直径法兰 的选用应该经过应力计算而不是简单地根据 当量 压 力选用 。 从 图中可 以看 出同一级别不同公称尺寸的标 准法兰都有一定 的剩余强度 。此剩余强度可以反 推到等效弯矩 ，以法兰组合应力为控制 因素反推 得到的对于剩余强度的弯矩如图7 ，可 以看出管道 公称直径达到D N6 0 0 时剩余强度对应 的弯矩有很 大 下 降。 图3 图4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第8 期 张旭压力管道设计中法兰校核方法探讨 一 7 1 6 0 1 4 。 1 2 。 伽 芏 l 8 0 6 。 4 。 2 。 0 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 o 3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0 5 0 0 5 5 0 6 0 0 6 s o ： 1 4 0 0 0 0 1 2 0 O 0 o 1 0 0 0 0 0 ； 暮8 0 O o o 暂6 0 0 0 0 4 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 j +Pr e s s u r e On l y j ( M p a ) j 一一AI l o w S t r E s 8 - j ( Mp a ) j 一 P r e s s u r e O n l y ： ( Mp a ) ： ； 一A I l o w S t r 髑 s- l (M p a ) 7 同时还 应指 出，对于锥颈对焊法兰 ，由于法 兰 内径与对焊管子 内径一致 ，所 以剩余强度还受 管子壁厚影响 ，在实践 中，相连管道破坏往往发 生在法兰失效之前。 3 2非标法兰 在 工程 实践中有时会遇到非标法兰设计或校 核 问题 。为 了承受 管道系统施加 的外 部载荷也应 考虑剩余强度 。在各种法兰设计方法 中并没有 明 确规定剩余强度应该取多大，AS ME S E C Di v 1 只是规 定： “ 所设计法兰应该具有足够强度 以承 受外部荷载 ”，我 国的法兰规范没有对剩余强度 作 明确说 明，B1 6 5 也 没有 ，只 有AP I 6 0 5 大 口径碳钢法兰 ，明确规定温度压力等级表 的法 兰应该 能承受与法兰相连管道许用应力 的一半对 应的外部弯矩 。大量实践证 明，这个规定是保守 可行 的，对管道系统 中非标法兰 的设计也可 以引 用 。由于按应力计算法 ，法兰尺寸主要 由压力控 制 ，所 以对非标低压法兰 的设计 ，要特别注意外 部弯矩的作用。 4关于法 兰泄漏的预判问题 泄 漏 是法 兰 在应 用 中最 主 要 的失 效 形式 ， AS ME V 8 D i v 1 所提 出的应力计算过程只是关于强 度校核 的，并没有涉及到法兰泄漏校核 的刚度分 析。也就是说，即使强度校核完全满足要求，也 不能在理论上保证不发生泄漏 。现代石化工程规 模越来越大 ，管道布置设计工作量很大 ，工程进 度 往往要求材料 采购在设计完成之前进行，对法 兰压力等级的确 定在控制成本的前提必须有一定 的安全裕度 ，所 以定量预测法兰在外部弯矩 作用 下的泄漏情况具有现实意义。 法兰泄漏是个复杂 问题 ，涉及 到法兰形 式、 等 级、垫片、螺栓 以及相对刚度 、预紧应 力、法 兰温度梯度、外部载荷等因素 ，所 以预测在 操作 工 况，外 部载荷 的作用下法 兰泄漏是困难 的，一 直缺 少一个 统一的简单适用的工程方法，下 面主 要讨论外部弯矩对法兰泄漏 的影响。 当量 压 力法 、标 准法 兰温 度 压 力等 级 表和 AS ME V l Di v l Di v 2 ，都没有处理在外部载荷 作 用下预测泄漏 的 问题 。如果按照温度压力等级 表选 择法兰 ，对 于法兰泄漏的预判在理论上 存在 不严密 性，在 同等受载条件 下，泄漏 主要 由刚度 影 响而不是强度 ，材料刚度的主要表征是弹性模 量 ，而等级表 是通过应力分析按不 同材料许 用应 力制 定，不同牌 号的钢材 具有 不同的许用应 力却 具有 近似 一样 的弹性 模量 ，这就 会 出现 同样尺 寸、形式、受载 条件的法兰，若材料牌号不同， 对 泄漏趋 势的判 断会完全不同，这与实际情况 是 不相符的。 AS ME Di v 1 是常用的应力分析法 ，也是按 许用应 力为控制 条件的强度 设计方法，意识到法 兰偏转会造成泄漏 引起 系统 失效，作 为改进 ，提 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 一 一 论文广场 石 油 与 化 工 设 备 2 0 1 0 年 第1 3 卷 出了刚度因子J 对于整体带颈法兰：J = ( 5 2 1 4 M。 V) ( o 3 L E g o h o ) 1 ，0 3 为允许偏转角度。 M。 一预紧或者操作状态 ，作用于法兰 的总弯 矩；L 一系数；V 一整体法兰对应系数； g o 一法兰颈部小端厚度；h o 一系数 控制法兰环在螺栓和介质压力载荷作用下的 偏转 。法兰环偏转是造成泄漏 的重要原因，包括 G B T 2 0 8 0 1 在 内的一些工程标准采用 了这个做法， 但 是并没 有考 虑外 部载荷 弯矩 与泄 漏 的关系 。 AS ME B 3 1 Me c h a n i c a l De s i g n Co mmi t t e e提出了一 个简单公式，计算造成泄漏 的临界弯矩 ： ML = ( C 4 ) ( S h A B P A 。 ) P 一 介质压力( MP a )；A 一 垫片接触外 圆 面积( mm ) ；C 一螺栓 圆直径 ( 舢n ) ；S 厂 螺栓应力 ( MP a ) 这个公式在 一定范围内得到应用 。笔者认 为 存在疑 问，实践证 明外部弯矩 的变化并不会引起 螺栓力的显著变化 ，而主要是 引起垫片应 力的再 分布 ，也就是说弯距主要 由垫片承担，C是螺栓圆 直径 ，显然是不合理的。 假设垫片在所有载荷作用下保持相对 刚性 ， 这样处理是保守的 。要保证在外部弯矩作用下法 兰不至发生泄漏 ，就必须确保作用在垫片上 的压 力达 到一个最小值 ，按AS ME Di v l ，这个值 为m( 2 b )n GP ( 操作工况 )，单位面积上的压力 F o m = mp 。要考察垫片应力在外部弯矩作用下的变 化 比较 困难 ，这是个高度非线性的接触 问题 ，涉 及法 兰环 、螺栓和垫片的相对刚度。工程上为 了 简化 问题 ，以垫片的受力分析作用法兰泄漏预判 的依据 ，垫片在纯弯矩作用下 的截面应力分布可 以采用与管道一样的分布特征 ，这样处理是合理 可靠 的，如图2 所示 ，引入虚拟拉伸 的概念，因为 事实上并不存在 对垫片的拉伸作用，但是外部弯 矩在 管道受拉侧 使作用在垫片上的密封压力减小 有产 生泄漏的趋 势，所 以这样处理在工程上是保 守和可行的，同时又避免 了复杂的接触 问题 ，即 使采用有 限元分析 ( F E A)，接触 问题 的边界条 件建立也是很 困难的。 以下是公式推 导，在外部弯距M作用下 ，垫 片所有 圆环截面 都保持平面状态，即处于纯弯受 载 ，应力沿截面分布如图2 所示，在极端位置处 由 “ 虚拟拉伸”产生的应力为： 4 M F G M ( 1 ) 螺栓力作用下的垫片应力 ： F。 e= AB S o e 垫片在介质压力、 压力为： ( 2) 螺栓载荷和弯矩作用下 的 F G = F G B F G P - F G M ( 3 ) 由式 ( 1 ) ( 2 ) ( 3 )，要防止泄漏，弯矩需 满足以下条件： M _P ( + 6 ) ( 4 ) 4 、G一垫片作用力直径；AB 一螺栓根部总断面； S o p 一 操作状态 下螺栓应力 ：b 一 垫片密封 宽度 ； m一垫片系数 ( 注 ：当P 为设计压力时，S o p 用按规范的螺栓 设 计应力 替代 ) 对P N2 5 ( C l a s s 3 o o ) 系列标准法兰进行 了验 算 ，结果如表2 ，除D N6 0 0 P b 均满足要求，除 以一 个安全系数2 ，最小应力4 5 MP a ，对安装锥颈对焊 法兰 的管道 ，连接处管道轴 向应力可 以近似等于 锥颈小端轴 向应力 ，在采用C I I ，A u t o P I P E 等常用 软件进行 管道应力分析时可以方便地得到管道任 何位置 由于弯矩产生的轴 向应力 ，所 以可以得到 一 个很有用的判断方法：管道轴 向应力小于4 5 Mp a 就可 以不对法兰作其它验算 了。由于实际对其它 等级的标准法兰 同样适用 ，验算结果不再赘述 。 对 比图7 和表2 ，按照温度 压力等级表选择 的法兰 在承受许用 内压之外的具有 的剩余强度对应 的弯 矩 比M 大很多 。所以对某些关键管路法兰的泄漏 弯矩M 的计算是必要的。 5结 论 一 般来 说，按照 中外法兰标准 中温度压力等 级表选择法兰具有足够 的强度和刚度 ，但是实际 中法兰形式和工况的多样性使得采用更有确定性 的方法成为必要 。为了考虑外部载荷 的影 响，按 照常用 的当量压力法依据温度压力表选择法兰过 于保 守，在工程设计 中往往造成浪费，由于此法 简单 明了，概念明确 ，选取 的法兰具有相 当的剩 余强度 ，足 以承受一般操作 中产生的外部载荷， 在管道设计工作量 巨大的工程 中得到广泛应用 。 AS ME S E C D i v l A p p e n d i x 2 提供的应力分 析方法更符合实际。尽管在实际应用 中按照这两 种方法设计选择的法兰都满足了实际使用要求， 但 没有从理论上解 决泄漏预判的问题 ，法兰泄漏 影响因素很多，本文只是从外部弯矩影响的角度 进行 了讨论， 以垫片受力为考察对象提 出了对泄 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第8 期 张旭压力管道设计中法兰校核方法探讨 表 2 螺栓 锥 颈轴 向应力 公称直径 螺栓圆直径 单个螺栓根部 垫片外径 ( m m ) 泄漏弯矩M L ( N m ) 许用应力 ( M P a ) ( m m ) ( II lI I1 ) 截面积 ( 咖 ) 数量 S h ( M P a ) 5 0 1 2 7 1 3 0 8 8 6 1 1 0 5 1 3 3 2 1 4 80 1 6 8 1 95 8 l 21 21 63 l 1 4 21 4 1 O O 2 0 0 1 9 5 8 1 5 O 2 2 5 6 9 1 2 1 4 l 5 O 2 7 0 1 9 5 l 2 2 1 0 3 6 9 8 9 6 2 l 4 20 0 33 0 2 70 l 2 26 4 50 58 9 8 21 4 2 5 0 3 8 8 3 5 6 1 6 3 l 8 l 3 7 3 7 9 9 2 1 4 3 00 451 470 1 6 37 5 2 090 6 1l 4 21 4 3 5 0 5 l 4 4 7 0 2 0 4 0 6 3 0 7 8 4 1 0 3 2 1 4 4 0 0 5 7 2 6 0 0 2 0 4 6 4 4 4 5 6 5 l O 3 2 l 4 4 5 0 6 2 9 6 0 0 2 4 5 2 7 5 6 6 7 8 1 1 8 21 4 5 0 0 6 8 6 6 0 0 2 4 5 7 8 5 1 8 2 8 1 0 8 2 1 4 6 0 0 8 1 3 9 0 7 2 4 6 8 6 1 0 4 4 8 0 2 5 0 21 4 漏弯矩 的简要估算公式 ，对工程管道设计有一定 的实际意义 。我 国及美 国相关规 范都没有 明确解 决这个问题 ，欧洲E Nl 5 9 1 提 出了一套完善的处理 方法 ，综合考虑 了法兰 、垫片 、螺栓 、温度变化 和外部载荷等因素 ，从法兰强度计算到泄漏预判 都给 出了完善 的