摘要：石油化工裝置高溫高壓易燃易爆，管道法蘭作為常用的連接件，同事也作為潛在的泄漏點(diǎn)，嚴(yán)重影響裝置的安全運(yùn)行，所以正確合理地評(píng)定法蘭泄漏尤為重要。本文從理論上講述工程上廣泛使用的具有可行性的快速評(píng)定法蘭是否存在泄漏的方法以及應(yīng)對(duì)方法提出一些建議。
　　關(guān)鍵詞：法蘭、泄漏、計(jì)算、評(píng)定
　　法蘭作為主要的管件連接件,用于管子與管子，管子與設(shè)備，管子與閥門等等之間的連接，其拆卸方便，便于檢修，從而得到廣泛應(yīng)用。然而，法蘭是通過墊片與螺栓的預(yù)緊力進(jìn)行密封。墊片的類型，墊片安裝的好壞，螺栓安裝的是否有正確的預(yù)緊力，還有因管系走向而對(duì)法蘭處造成的外部荷載（主要是軸向力及彎矩）等等因素對(duì)法蘭的密封效果有相當(dāng)?shù)挠绊懀�故法蘭泄漏作為一個(gè)潛在的泄露點(diǎn)，影響著裝置的安全運(yùn)行，特別是高溫高壓易燃易爆的工藝介質(zhì)或深冷易燃介質(zhì)如LNG，更不允許泄漏。所以法蘭泄露作為一個(gè)重要的考慮因素，在石化及LNG接收站工程設(shè)計(jì)中應(yīng)給予極度的重視。
　　防止法蘭泄漏通常采用兩種方法：一是通過適當(dāng)?shù)匦薷淖呦�，增加柔性，使作用于法蘭處的荷載（外部荷載即法蘭處的力以及力矩）；二是提高法蘭的壓力等級(jí)（即法蘭磅值），從而提高了Pr值，使得法蘭承載能力變大，使得法蘭泄漏不發(fā)生。
　　對(duì)于防止法蘭泄漏有一些經(jīng)驗(yàn)的做法，例如一般認(rèn)為法蘭連接處的應(yīng)力不大于70MPa便可以接受。實(shí)際分析表明，該方法在管徑不大時(shí)基本適用，當(dāng)管徑較大時(shí)可能并不偏于保守，因此需要更精確的校核方法。ASMENC-3658給出了三種校核方法，其中第三種方法較為簡(jiǎn)便，被廣泛采用，但一般認(rèn)為該方法具有相當(dāng)?shù)谋Ｊ爻潭龋�此種方法與HG/T20645-1998中提到的計(jì)算公式是一致的，具體計(jì)算公式如下：
　�。ü�式1）
　　式中——法蘭在計(jì)算下的額定允許值（即設(shè)計(jì)壓力），MPa
　　——管道的設(shè)計(jì)壓力，MPa
　　F——法蘭承受的拉力（不包括內(nèi)壓產(chǎn)生的拉力），N
　　M——法蘭承受的合成彎矩，N.m
　　——墊片壓緊力作用的中心圓直徑，近似等于墊片接觸面的平均直徑，詳細(xì)定義可參見HG/T20645-1998的2.3.1節(jié),mm
　　
　　以上的計(jì)算的實(shí)際上是將管系對(duì)法蘭處的力和力矩（即外荷載）折算成當(dāng)量的壓力，可稱為。、之和再與進(jìn)行比較，如果其兩者之和小于值，則可從理論上認(rèn)為，該法蘭不存在泄漏。反之，則認(rèn)為可能存在泄漏。
　　上述有提到法蘭的泄漏同時(shí)也跟現(xiàn)場(chǎng)的安裝好壞有影響，有時(shí)候現(xiàn)場(chǎng)在法蘭沒有對(duì)中的情況下強(qiáng)行安裝，這已經(jīng)是等于另外增加了初始的荷載，這種情況無疑是增大了法蘭泄漏的可能性。所以本文所述僅從設(shè)計(jì)角度進(jìn)行探討，忽略安裝因素對(duì)法蘭泄漏的影響。
　　為了使用起來更方便，國(guó)內(nèi)的很多設(shè)計(jì)院已將上述的公式做成表格，把相應(yīng)的參數(shù)填好，即可快速評(píng)判校核法蘭。為管道設(shè)計(jì)壓力，可在管道數(shù)據(jù)表中查詢或由工藝專業(yè)提供。則可查ASMEB16.5中的壓力—溫度額定值表，HG/T20592~20635也提供了該表，指定溫度的值可通過內(nèi)插法計(jì)算得出。拉力F和合成彎矩M一般可通過專業(yè)的管道應(yīng)力分析軟件建立管系模型，再進(jìn)行計(jì)算得出。在國(guó)際公認(rèn)的管道應(yīng)力分析軟件中，CAESARⅡ是應(yīng)用得最為廣泛的軟件之一，國(guó)內(nèi)應(yīng)用也非常廣泛。下面將使用CAESARⅡ進(jìn)行舉例，以詳細(xì)說明該公式的應(yīng)用過程。
　　
　　圖1
　　
　　圖2調(diào)節(jié)閥處詳圖
　　如上圖1所示，DN450的低壓蒸汽管線，設(shè)計(jì)溫度280℃，設(shè)計(jì)壓力為0.7MPa，管子材質(zhì)為CS。管線上所使用的法蘭類型為突面，150磅，CS,ASTMA105,相當(dāng)法蘭標(biāo)準(zhǔn)為ASMEB16.5，與之匹配的墊片是帶有外環(huán)的纏繞（金屬）填充墊片。
　　根據(jù)實(shí)際的管道走向，使用CAESARⅡ建立模擬的模型。該低壓蒸汽管線從低壓蒸汽主管引出，回到除氧器中。主管模擬了一段，有導(dǎo)向有限位，確保管線引出點(diǎn)至除氧器此部分管線不再受到主管其它部分管段的影響，此端是合理的邊界條件。低壓蒸汽管線的另一側(cè)連接除氧器，模型中也將除氧器模擬進(jìn)來，除氧器有滑動(dòng)端與固定端，所以低壓蒸汽管線的另一端同樣已經(jīng)是合理的邊界條件。至此，該低壓蒸汽管線的模擬是正確合理的。
　　圖2中的node220，node230為調(diào)節(jié)閥的模型單元，調(diào)節(jié)閥口徑為DN300，為對(duì)該調(diào)節(jié)閥處的法蘭進(jìn)行校核，需要把法蘭處的荷載顯示出來，故在法蘭節(jié)點(diǎn)單元處增設(shè)約束，設(shè)立cnode節(jié)點(diǎn)，220cnode221，并給予ANC的約束類型。輸入的環(huán)境溫度為2.2℃，計(jì)算溫度為280℃，設(shè)計(jì)壓力為0.7MPa，運(yùn)行CAESARⅡ進(jìn)行計(jì)算，檢查管線的一次及二次應(yīng)力均可以通過，再看約束報(bào)告，得到的node220的荷載如下：
　　220 RigidANC
　　FX=-3973N，F(xiàn)Y=11462N，F(xiàn)Z=583N
　　MX=-15724N.m，MY=-4256N.m，MZ=-7636N.m
　　對(duì)于法蘭處的來說，node220點(diǎn)是法蘭的點(diǎn)，node221是閥門一側(cè)的點(diǎn)，node220cnode221可以理解為法蘭對(duì)閥門施加的荷載。FX=-3973N，為負(fù)值，表示該力與圖中坐標(biāo)的正方向相反，是趨向于使法蘭螺栓拉伸效應(yīng)，結(jié)果便是趨于把密封面拉開，趨于泄漏的，是一個(gè)拉力且影響法蘭密封。而FY與FZ都是使法蘭的螺栓承受剪切效應(yīng)，是剪力，只對(duì)螺栓的強(qiáng)度產(chǎn)生影響，對(duì)法蘭泄漏的影響可以不計(jì)。
　　MX對(duì)此片法蘭來說，是一個(gè)扭矩，扭矩主要影響螺栓的截面積，對(duì)法蘭泄漏的影響同樣可以不計(jì)。MY和MZ則是該法蘭兩個(gè)方向上的彎矩，對(duì)法蘭的強(qiáng)度及泄漏的影響非常大，起關(guān)鍵作用。在使用上述的公式計(jì)算時(shí)需要對(duì)這兩個(gè)彎矩進(jìn)行合成，得到合成彎矩M。兩個(gè)向量的合成，采用平方和再開根號(hào)。
　　即N.m
　　查HG/T20610，并結(jié)合HG/T20645中對(duì)的定義，計(jì)算得到的=346.48mm
　　查ASMEB16.5的壓力—溫度額定值表如下：
　　Table2-1-1Pressure-TemperatureRatingsforGroup1.1Materials
　　Group1.1Materials對(duì)應(yīng)材料組里包含了ForgingsA105與本管道法蘭材料一致。
　　Class150這一檔當(dāng)溫度為250℃時(shí)，=12.1bar；300℃時(shí)，=10.2bar
　　使用內(nèi)插法算得280℃的=10.96bar=1.096MPa
　　將=0.7MPa，F(xiàn)=3973N，M=8742N.m，=346.48mm代入公式1
　　公式1右邊等于1.678MPa
　　顯而易見，，，超標(biāo)了約53%，因公式1具有相當(dāng)?shù)谋Ｊ爻潭�，所以從理論上評(píng)判該法蘭可能存在泄漏。此處管道布置已經(jīng)十分緊湊，改變走向比較困難，且已經(jīng)超標(biāo)了53%，故建議此處的調(diào)節(jié)閥門提高磅值至300磅。
　　通過上述的舉例，說明了對(duì)于應(yīng)力分析管線關(guān)于法蘭校核的一般過程。通過公式1我們可以發(fā)現(xiàn)，是由外載荷承受的值，實(shí)際上就是與的差值。法蘭在選取公稱壓力時(shí)通常有20%的余量（相對(duì)于管線的設(shè)計(jì)壓力而言），也就是說外載荷所折算的當(dāng)量壓力通常不允許超過20%。但有時(shí)一些高壓的管線在選取法蘭公稱壓力時(shí)往往很接近了臨界值，如果仍20%余量，就會(huì)“跳檔”，費(fèi)用就又增加不少，這時(shí)候余量往往少于5%，這無疑對(duì)我們的計(jì)算造成極大的困難，但正是因?yàn)檫@樣的高壓，我們更要慎重考慮泄漏。上有述及，影響閥門泄漏的因素非常多且很復(fù)雜，要對(duì)法蘭進(jìn)行一個(gè)完整的精確計(jì)算目前尚未有更好的辦法。目前工程公司廣泛采用了公式1，但公式1具有相當(dāng)?shù)谋Ｊ爻潭龋瑹o論是修改走向或者是采取增加磅值（尤其是控制閥門）都可能使投資的費(fèi)用增加不少，從而影響了經(jīng)濟(jì)性。所以有時(shí)在評(píng)判法蘭是否存在泄漏以及泄漏可能性的大小時(shí)仍需要輔以工程經(jīng)驗(yàn)。但是如果對(duì)于介質(zhì)為極度危害的流體，筆者認(rèn)為只要是超標(biāo)了超過20%，都應(yīng)該考慮修改走向或者增加法蘭磅值，安全始終是應(yīng)該擺在第一位。
　　參考文獻(xiàn)
　　[1]唐永進(jìn)壓力管道應(yīng)力分析中國(guó)石化出版社2003