管道應力分析過程中法蘭泄漏的校核

王 勛

(天津博邁科海洋工程股份有限公司，天津 300452)

在石油化工、海洋油氣行業，法蘭作為管道連接件應用非常廣泛，不論是作為管道可拆卸段的連接，還是與設備、閥門、儀表等的連接，都起著至關重要的作用。法蘭連接通常是指由法蘭、墊片及螺栓組成的可拆卸連接結構。法蘭看似只是工程裝置中微小的一部分，實則影響巨大。法蘭如若發生泄漏，小則造成物料流失浪費、裝置維修停車；大則造成火災爆炸、人員傷亡，特別是當流體為易燃易爆、高溫高壓的介質時。因此，在設計階段減少法蘭泄漏的可能性是非常有必要的。

工業裝置和管道中的法蘭，除承受內外壓外，還要承受管道及介質質量、熱膨脹、振動等引起的軸向力和彎矩的作用。通常法蘭的設計(例如ASME B16.5)是沒有考慮管道彎矩等的影響，為防止在操作條件下發生泄漏和可能出現的損壞，必要時需要對已經選定的標準法蘭進行可靠性校核，以判斷是否需要采取進一步的安全措施[1]。

1 法蘭校核準則

法蘭應放在受外部彎矩盡可能小的地方。法蘭校核的要求一般會在招標文件或者項目規格書中提及，每個項目會有不一樣的要求，作為常規要求，可以參照以下情況：①法蘭等級在900磅及以上的高壓法蘭連接處；②法蘭尺寸在24”(609.6mm)及以上的所有法蘭連接處；③承載碳氫化合物或其他可燃性流體的法蘭連接處；④4”(101.6mm)及以上的安全閥管線法蘭連接處；⑤所有夾套管的法蘭連接處；⑥應力工程師發現的所有較大彎矩的法蘭連接處等。

2 法蘭泄漏的校核方法

本文基于CAESAR II-2019軟件介紹了3種校核法蘭泄漏的方法，并通過實例對比論證了3種方法的區別。此3種方法分別為：①Kellogg當量壓力法(Equivalent Pressure Method)；②ASME Section VIII應力計算方法；③NC 3658.3最大屈服強度法。

2.1 Kellogg當量壓力法(Peq法)

Kellogg當量壓力法認為法蘭連接處的所有外部載荷均作用在墊片上，軸向應力應處于安全范圍內[2]。在這個方法中，沒有考慮螺栓力的影響，作用在法蘭上的軸向力和彎矩轉化成了當量壓力(Peq)，將這兩個當量壓力與設計壓力相加得到總的當量壓力，并根據法蘭材料與ASME B16.5中的壓力-溫度等級表進行對比，如果總的當量壓力小于等級表中相應溫度下的許用壓力，即判定法蘭不會泄漏。此方法簡單可靠，但是過于保守。計算公式如下：

其中，Peq為當量壓力；M為作用在法蘭上的彎矩；G為法蘭墊片上的有效直徑；F為作用在法蘭上的軸向力；PD為設計壓力。

此方法在CAESAR II中的應用也比較簡便，首先正確建模，模擬管道、閥門、法蘭等；然后雙擊勾選Flange Checks，再選擇Peq方法，點擊Read from File…選擇相應的標準法蘭；需要的數據就會自動填入，最后軟件會自動計算后比對校核。需要注意的是墊片直徑G值，軟件自動取的平均值，必要時需要根據標準ASME B16.20和ASME Sec.VIII更新G值。Peq方法在CAESAR II中的應用見圖1。

圖1 Peq方法在CAESAR II中的應用

2.2 ASME Section VIII應力計算法

ASME Section VIII方法主要是對ASME和ANSI法蘭應力和泄漏的計算，法蘭應力計算方法來源于：①ASME Section VIII；②ANSI B16.5 Rating Tables。計算的法蘭應力包括法蘭頸部軸向應力(Longitudinal Hub Stress)、法蘭的徑向應力(Radial Flange Stress)和法蘭切向應力(Tangential Flange Stress)，將計算的法蘭應力與標準中法蘭許用應力進行對比，若在許用范圍內即滿足要求。除了計算以上法蘭應力，還需要計算作用于螺栓上的載荷產生的法蘭力矩，詳細的計算方法可以參考以上標準。

在CEASAR II中，ASME Section VIII方法是在Peq方法校核失敗的時候使用。Peq方法通常被認為非常保守，且沒有提供實際的結果，很多情況下，即使法蘭承受的軸向力和彎矩非常小，依然校核失敗。因此，應力工程師常在Peq方法校核失敗后，取用Peq方法計算的軸向力和彎矩來計算法蘭的應力。

該方法同樣是利用標準法蘭提供的剩余強度，即使沒有直接涉及外部載荷，經大量工程實踐證明是可行的[3]。需要注意的是，此方法在實際計算中會存在一個無法解決的問題，即螺栓的預緊應力(seating stress)在是否有軸向力和彎矩的情況下均超出許用應力值。

ASME Section VIII方法在CAESAR II中是作為單獨的板塊存在的(見圖2)，此方法的輸入需要查閱法蘭、墊片、螺栓等標準，計算的大致步驟如下：首先，對管系做靜態分析，讀取法蘭的軸向力和彎矩；然后，進入Analysis下的ASME/ANSI Flanges模塊。需要注意的是，此模塊每次進入需要建立一個新的文件名，通常按管徑和管道等級分類，每類建一個計算文件；再次，查閱相關標準依次輸入法蘭、螺栓和墊片、材料數據和載荷數據。其中，載荷數據的輸入取每一類中Peq方法未校核通過的最大軸向力和彎矩；最后，運行計算，查看比對應力結果，并根據情況做出相應調整。

圖2 ASME Section VIII方法在CAESAR II中的應用

2.3 NC 3658.3最大屈服強度法

此方法認為管道介質內壓以及由管道變形所產生的彎矩和扭矩都施加在螺栓上，并且假定應力都均勻分布在螺栓孔所處圓周上，如果螺栓發生破壞，則法蘭泄漏[2]。使用此方法校核法蘭泄漏，需要滿足以下兩個條件：①法蘭、螺栓、墊片的設計使用滿足ASME B16.5的要求；②螺栓材料的許用應力值在100℉(38℃)下不小于20 000Psi(138MPa)。

使用NC 3658.3方法需要將外部產生的彎矩或扭矩約束在以下公式的范圍內，注意以下公式的常量是英制，轉換成公制后，公式中的36 000和3 125應該是248.22和21.6：

非偶然荷載工況：S=36 000×Mfs/(CAb×3 125)≤Min(Sy，36 000)

其中[3]：S為法蘭應力；Mfs為非偶然荷載工況下，作用于法蘭上的彎矩或扭矩(取大值)；Mfd為偶然荷載工況下，作用于法蘭上的彎矩或扭矩(取大值)；Sy為設計溫度下法蘭材料的屈服強度；C為螺栓圓周直徑；Ab為螺栓總截面積。

從以上公式可以清晰地看到，螺栓數據和螺栓材料屈服強度作為CEASAR II的輸入，同Peq方法一樣，在使用NC 3658.3方法校核法蘭泄漏時，首先需要正確建模，模擬出管道、閥門、法蘭等；然后雙擊勾選Flange Checks，再選擇NC-3658.3方法，查閱相關標準輸入螺栓總截面積、螺栓圓周直徑和法蘭材料的屈服強度；最后，軟件會自動計算后比對校核。NC-3658.3方法在CEASAR II中的應用見圖3。

圖3 NC 3658.3方法在CAESAR II中應用

3 法蘭校核方法實例對比

本文選取某項目“三備一用”板式換熱器出口管線進行應力分析計算，對閥門法蘭連接處進行校核，對比分析以上3種法蘭校核方法，并推薦了1種國內外工程公司常用的法蘭泄漏校核流程。某項目板式換熱器出口管道18”(457.2mm)，壁厚STD，材質為API 5L GR B，流體介質為冷媒流體，密度為1 000kg/m3，操作溫度為33℃，設計溫度為93.3℃，材料最低使用溫度為-29℃，設計壓力為1.6MPa，水壓試驗壓力為2.4MPa。出口處有一段可拆卸的連接段，后面緊跟一個切斷閥，然后匯入總管，管道布置見圖4。

圖4 管道應力分析模型

使用Peq方法分析計算的結果見表1。使用ASME Section VIII方法分析計算的結果見表2。使用NC 3658.3方法分析計算的結果見表3。

表1 Peq方法分析計算結果

表2 ASME Sec.VIII方法分析計算結果

表3 NC 3658.3方法分析計算結果

以上案例在實際運行中是可行的。但是Peq方法校核失敗，說明此方法過于保守，配合ASME Section VIII方法校核就可以通過；同樣NC 3658.3方法也能校核通過。以上案例說明，ASME Section VIII方法和NC 3658.3方法對實際情況的模擬相對更真實。

在國內外一些大型工程公司中，一般結合以上3種方案按以下流程(見圖5)校核法蘭泄漏，都能保證現場實際運行過程的安全穩定。首先用Peq方法校核，如果通過，則設計上法蘭不泄漏；若校核不通過，再用ASME Section VIII方法校核，通過則設計上法蘭不泄漏，失敗就需要分析具體的原因，修改調整后再重新校核，直到通過為止；僅螺栓的預緊應力在不論是否有軸向力和彎矩的情況下，均超出許用應力值時，才使用NC 3658.3方法進行校核。此流程不唯一，各個項目可能會有不同的要求，僅對如下流程推薦使用。

圖5 法蘭校核流程

4 結語

(1)本文論述的3種法蘭校核方法原理不同。Kellogg Peq法認為法蘭連接處的所有外部載荷均作用在墊片上，NC 3658.3方法認為管道介質內壓以及由管道變形所產生的彎矩和扭矩都施加在螺栓上，而ASME Section VIII方法主要是對法蘭應力進行計算比對。

(2)本文論述的3種法蘭校核方法在CAESAR II中的輸入復雜程度不同。Kellogg Peq法輸入簡便快捷，而ASME Section VIII和NC 3658.3方法需要在相關標準中查閱大量數據。

(3)本文論述的3種法蘭校核方法的結果存在偏差。Kellogg Peq法相對較保守，計算結果與現場實際情況有偏差；ASME Section VIII和NC 3658.3方法相對更精確，與實際情況更接近。

(4)本文結合以上3種法蘭校核方法，推薦了1種在國內外工程公司應用較廣泛的校核流程。主要使用Peq結合ASME Section VIII的方法校核，僅螺栓的預緊應力(seating stress)，在無論是否有軸向力和彎矩的情況下均超出許用應力值時，才使用NC 3658.3方法進行校核。