从零开始学应力十四法兰泄露问题漫谈

一般来说，评价法兰泄露常用的方法有当量压力法、螺栓面积法（认为螺栓荷载不够是法兰泄露的原因）、非标法兰计算法（Taylor-Waters法）、法兰刚度控制法（认为法兰不够厚，刚度低导致外载下法兰变形是法兰泄露的原因）等。根据行业内的部分单位做法，下列情况的法兰应进行泄漏评价：压力等级超过CL；法兰压力等级相当于CL且管子DN＞；输送极度危害、高度危害介质；输送氢、轻烃及操作温度高于自燃点介质；全夹套管法兰；高循环次数法兰；敏感部位的法兰如设备管口法兰等。今天我们来简要讨论下相关问题。当量压力法介绍当量压力法具体计算公式如下式1所示。式中：Pe:当量设计压力，MPa，Ｍ:外力矩，Ｎ·ｍｍ；DG:垫片压紧力作用中心圆直径，ｍｍ；Ｆ:轴向外载荷（拉力时计入）,Ｎ；Pc:计算压力，若不考虑静压头，即为设计内压力，MPa。其中，16M/(ΠDG3)为外部弯矩转化成的轴向当量压力，4F/(ΠDG2)为轴向力转化成的当量压力。求得外载当量压力后，和设计压力相加，得到当量总压力，去和标准法兰在设计温度下的最高允许工作压力（压力额定值）对比，若不超过，则合格。该方法巧妙地将外力矩和外力转化成外载当量设计压力，获得了一种思路较为清晰的方法。需注意，在某些文献及规范中，力矩M不计入扭矩，因为根据材料力学，仅弯矩产生轴向应力。另外，计算压力也可取操作压力。实际的工程设计中，若评定不合格，在不改变管道走向的前提下，往往采用下列三种方法：第一，提高法兰压力等级，第二，增加法兰口径，第三，以Taylor-Waters法作为计算依据进行非标法兰设计。但业内普遍认为此方法有一定的保守性。ASMEBPVcVIII-1UG44ASMEBPVcVIII-1-UG44提出了一种当量压力法的改进方法,见下式2：其中，ME和FE同上文的M和F，G同上文的DG，PD与上文的PC一致。外载荷修正系数如下：仔细对比，可以看出，ASMEBPVcVIII-1-在计算当量外载压力和当量总压力时，算法并未有任何改变。但对比评价时，在标准法兰的温度压力额定值之外，有了一个0.3~1.2倍的额定值附加量。也就是说，评价标准变得宽松了，宽松幅度为30%~%。以前设计时通过当量压力法计算法兰泄露存在问题的法兰接头，按ASMEBPVcVIII-1-UG44计算，可以不存在问题。值得注意，因GB/T-版编制周期问题，目前国内标准暂未引入ASMEBPVcVIII-1-UG44方法。一些理念-法兰泄露的原因法兰泄露的原因很多，前文我们提及了至少4种泄露控制的方法。但是，做好理论计算，法兰就不漏吗？显然不是，下列因素同样值得重视：*法兰接头选用及设计的原因：我们都知道，标准法兰的选用，要根据操作介质、设计温度、设计压力等设计条件及法兰材质，按照法兰标准的温度压力额定值去选。但是往往会忽略，法兰标准给出的温度压力额定值，并没有考虑管线乃至设备使用过程中热胀冷缩对法兰接头施加的外载荷以及管道水击等外载荷的影响，更不可能考虑风、地震、地基沉降等偶然载荷的影响，而这些附加载荷都是客观存在的！*法兰与垫片选用不配套的问题：比如说，我们PN6的法兰，选用缠绕垫好不好？不好！PN6的法兰很薄，刚度很小，而缠绕垫刚度比较大，预紧时，很容易产生法兰变形而导致泄露！*垫片本身选用失当，比如在℃，20MPa的条件下，使用石墨缠绕垫，石墨在℃以上的高温条件下长期工作易氧化，使垫片失去本应该有的回弹性能，自然难以达到长期的密封效果（这是管道压力试验和泄露性试验无法验证的问题）。*材料安装时品质不合格导致的泄露：除了制造商的原因，往往出现施工现场，由于施工安装单位对于到货的法兰，不认真保管，造成密封面损伤，使用时自然会泄露，再或者货到现场的缠绕垫，往往由于运输保管不当而散架或者检修时对拆卸下来的缠绕垫盲目复用，也是常见的法兰接头泄露根源。当然，缠绕垫散架的另一个原因是厂家制造能力差，缠绕时未施加必需的外载以压紧缠绕钢带或者点焊随意，不够充分。*安装质量问题导致的泄露：安装时，强行对中造成法兰变形或者对中不到位导致密封未形成造成的泄露是常见的问题，还有一个问题，则是预紧时，预紧力过小或过大，导致垫片没有发挥作用或者垫片失效进而泄露。一些理念-怎么做*严格按照标准，适当考虑外载选用法兰压力等级、密封面型式和垫片类型。选择的法兰材料、垫片材料务必要与设计条件相适应，选择的法兰型式、密封面型式要和垫片类型相互匹配。*重要场合，可采用相关理论进行法兰泄露分析。可以利用的法兰泄露分析方法有当量压力法、螺栓面积法、法兰刚度控制法、法兰强度控制法等，考虑到上述方法采用的理论不一样，必要时至少将前三种方法都做分析。当项目有特殊规定时，也可加大法兰泄露分析的管道数量。*选择高性能的法兰接头。比如Grayloc法兰接头，其巧妙的结构可以很大程度上防止法兰泄露（见下图1）；比如某厂家的高温古利特缠绕垫片，其缠绕带材料能确保缠绕带的高温回弹性能；再比如某厂家的Change垫片，结合了齿形垫和缠绕垫的双重优势，既不易散架，又可以保持充分的回弹性能；再比如某厂家的碟簧预紧法兰接头设计，通过碟簧，施加给法兰接头一个近乎恒定的预紧力，确保法兰在使用周期内的可靠性（见下图2）。

*选择优秀的法兰接头生产厂家，同样的密封结构，不同的生产厂家，其制造工艺、产品质量有天壤之别。特别重要的场合，应选择口碑优良，能力出众的制造厂家。

*严控法兰、垫片及紧固件的运输、现场保管及使用前检查过程，不把任何一个不合格组件运用到生产装置中。

*严控施工质量，杜绝强拉硬拽，强行对中对法兰接头造成的损害；重要的场合，比如压力等级＞CL的高压法兰，预紧时，应根据设计计算的预紧力矩进行预紧，不应导致预紧不足或者过载；螺栓的紧固顺利要严格按照操作规范来，保证紧固顺序，确保各条螺栓受力均匀；施工完成后，应进行强度试验，有毒及易燃易爆管线，还应进行泄露性试验，且保证泄露试验的效果。

*对可燃及有毒介质管线，还应按照相关标准规范的要求，设置可燃气体报警和有毒气体报警，确保事故发生时能够第一时间被发现。

*加强操作人员培训，做好危险介质法兰泄露事故处理预案，避免事故蔓延，造成重大损害。

*一个重要的规范-法兰接头安装的大学问，7月1号起将实施的GB/T讲的最清楚！值得学习！

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