承受外載管道法蘭的安全防護

鄭茂鼎 中國寰球工程公司 北京 100012

管系法蘭的安全問題，美國法蘭標準中有提示:“高溫和低溫條件下，使用法蘭要避免在管道或設(shè)備連接處因受外力和力矩而引起泄漏的危險。還提出當大于200℃條件使用CL.150 (150psi 級)法蘭可能產(chǎn)生泄漏，除非注意避免劇烈的外載和溫度變動。對于400℃以上使用其它壓力級的法蘭時，也應(yīng)考慮同樣問題?！保?］

高溫法蘭在初運行中發(fā)生泄漏時，有的進行降壓，把緊螺栓、再升壓，可以恢復(fù)正常運行。如后來不再泄漏，可能是安裝問題。本文重點討論法蘭承受外載有關(guān)的設(shè)計問題。在溫度沒有變動的情況下，主要應(yīng)避免劇烈的外載。而外載的大小，與管道布置、支架設(shè)置、管徑及柔性計算密切相關(guān)，如何避免劇烈外載，這是法蘭防泄漏的要點。

1 法蘭的當量壓力Pe 的計算

根據(jù)《ASME 鍋爐及壓力容器規(guī)范》第III 部分Pe的計算公式:

式中，Pe為法蘭的當量壓力;M 為附加彎矩;F為附加軸向力(受壓時可不計);G 為墊片有效直徑［3］。

有熱/冷位移的管道(本文指設(shè)計溫度＜ -30℃及＞100℃的范圍)，法蘭承受外載可換算為當量壓力Pe，式(1)中，用于低溫管道應(yīng)計入軸向力。關(guān)于墊片的有效直徑，可按所示文獻要求計算。

2 法蘭設(shè)計與選用中的Pe

(1)如果是設(shè)計特殊法蘭，工作壓力Pw與Pe之和，就是法蘭的設(shè)計壓力。此時，設(shè)計壓力應(yīng)大于1.1Pw。按法蘭的設(shè)計壓力、溫度核算相應(yīng)的公稱壓力PN，應(yīng)高于該管道等級按最嚴重條件確定的法蘭PN。

(2)如果是選用標準法蘭，法蘭的PN 應(yīng)符合該管道等級按最嚴重條件確定的法蘭PN。一般情況，管道的設(shè)計壓力是工作壓力的1.1 倍，特殊情況按管道規(guī)范確定。

對于有熱/冷位移的管道，法蘭承受外載等于當量壓力Pe，有時需要提升法蘭的PN。

3 法蘭的壓力裕量

在法蘭標準中，PN/CL 對應(yīng)的壓力與溫度額定值是許用的壓力與溫度?？砂词?2)、(3)計算壓力裕量。

式中，P 為管道設(shè)計壓力;Pw為管道工作壓力;Pr為法蘭壓力裕量;PAL為法蘭許用壓力。

選用法蘭的PN，有提檔和套檔，在壓力額定值中，含有壓力裕量Pr。

有熱/冷位移的管道，法蘭公稱壓力PN 不低于20bar，且應(yīng)避免壓力裕量過低。法蘭承受外載，需要適量的壓力裕量，以防法蘭產(chǎn)生泄漏。

4 驗算法蘭的壓力裕量

對于有熱/冷位移的管道，在選用法蘭的PN時，建議及時用式(3)計算Pr 值，并按表1 舉例匯總有關(guān)數(shù)據(jù)及結(jié)果，供后續(xù)設(shè)計工作使用。

從表1 可看到PN 套檔對產(chǎn)生Pr值的影響很大。序號1 法蘭Pr的值太小，屬于壓力裕量不足的法蘭。對于這種法蘭，除非管道布置時可相應(yīng)減小外載，否則PN 應(yīng)提高一檔。建議在管道等級編制過程中，發(fā)現(xiàn)法蘭Pr值較小，可采取措施，如PN 為20 或CL.150，可考慮將PN 提高一檔;CL/PN 更高的法蘭，由于檔差較大，是否提檔，由設(shè)計者考慮。

表1 法蘭壓力裕量計算數(shù)據(jù)匯總表

對于未提檔的Pr＜20bar 的管道，需注意防護，宜安排盡早進行柔性計算，取得外載的數(shù)據(jù)，以便于后續(xù)工作。

一個管道等級內(nèi)有多條管道時，一般按最嚴重條件選用法蘭的PN，但各條管道設(shè)計壓力、溫度不同，Pr也不同。表2 為碳鋼PN 20 法蘭的Pr值，可作為選定最低PN 之用。表2 中可知，CL.150 或PN 20 碳鋼法蘭在溫度＞200℃或工作壓力大于5bar 時，絕大部分壓力裕量Pr都不足，應(yīng)選用不低于PN 40 的法蘭。

及時驗算法蘭壓力裕量的好處:

(1)發(fā)現(xiàn)需注意防護的法蘭，及時采取措施。

(2)合理安排柔性計算的計劃。

(3)通過實踐積累法蘭所需Pr值的經(jīng)驗。

表2 碳鋼CL. 150/PN 20 法蘭的壓力裕量Pr(bar )

5 法蘭外載與Pe 的關(guān)系值

法蘭外載與Pe 數(shù)值間的關(guān)系，按式(4) ～(5)計算，用纏繞墊的法蘭，關(guān)系值見表3。

式中，M 為合成彎矩，N-m;F 為軸向力，N (受壓可不計);Pe為法蘭當量壓力，MPa;G 為墊片有效直徑，cm;M1為Pe=1 時的合成彎矩，N -m;F1為Pe=1 時的軸向力，N。

工程設(shè)計中，從柔性計算得到法蘭承受的外載Mc與Fc，可按公式(6)計算當量壓力Pec 值。

更進一步，如果管道設(shè)計者根據(jù)本文的方法，按工程中常用墊片尺寸，預(yù)先算出M1 與F1 的數(shù)據(jù)，并列在一個表內(nèi)，那么只需用公式(6)即可簡捷地算出各種常用法蘭的當量壓力。

式中，Pec為柔性計算法蘭的當量壓力，bar;MC為柔性計算法蘭處的合成彎矩，N -m;FC為柔性計算法蘭處的軸向力，N (受壓可不計)。

表3 法蘭外載與當量壓力的關(guān)系值

6 法蘭Pe 與管道σE 的關(guān)系

如果管道兩端有法蘭，中間沒有管架，管道的位移應(yīng)力水平會受法蘭的制約，很難提高。

法蘭當量壓力Pe值與承受外加彎矩M 的關(guān)系，如換為與管道位移應(yīng)力范圍σE的關(guān)系，便于了解管道柔性需達到怎樣的水平。Pe與σE的關(guān)系見表4 和表5?？偨Y(jié)有三點:

(1)法蘭承受外加彎矩的能力比管子差，要求管道柔性計算的σE在低的水平上。

(2)同樣的σE值，管子壁厚越厚，對應(yīng)的Pe越大。要求Pr和PN 也要更大。

(3)Pr形成與DN 無關(guān)，但法蘭承受外載能力與DN 有關(guān)。同樣的σE值，小管對應(yīng)的Pe 比大管大，要求Pr和PN 也要更大。DN200 ～600 其σE水平比較接近。

舉例說明:DN200、Sch.80 管子，Pe= 20bar時，σE的水平已不高了，σE=140bar，只有許用位移應(yīng)力范圍的7% ～8%;如Pe=10bar 時，此值只有一半。這說明Pe＜20bar 需要管道的柔性很高，對管道布置的要求也很高。具體數(shù)據(jù)見表4 和表5。

表4 法蘭當量壓力Pe 與管道位移應(yīng)力范圍σE 的關(guān)系(bar)

表5 管子單位位移應(yīng)力的彎矩值

由于Pe≤Pr，法蘭的彎矩M 與Pe 相關(guān)，并受到表3 中的M 值的限制，因此，管道位移應(yīng)力σE只能達到式(7)的水平。

式中，M 數(shù)據(jù)見表3。如果管道中間有管架，上述情況不適應(yīng)整根管道，僅適合法蘭附近的管段。

7 外載的限制及減載措施

7.1 外載的限制

外載的限制就是要避免劇烈外載:與外載相當?shù)膲毫ec大于法蘭壓力裕量Pr，就定義為劇烈外載。按式(8)限制外載:

對于A1 類流體管道的法蘭，最好控制Pec≤0.9 Pr。

有的柔性計算軟件會提供Pec＞Pr的信息，具有法蘭安全防護的作用。但對于部分管道，可能不做柔性計算，設(shè)計者宜重視Pr值的驗算，設(shè)法防止Pec＞Pr的發(fā)生。

7.2 減載措施

(1)改變管道布置，增加柔性，減小外載，同時配以支架類型、位置的合理設(shè)計。管道靠近法蘭部分柔性好，位移應(yīng)力較低;無法蘭部分位移應(yīng)力可以提高，做到位移應(yīng)力分配合理。

工程中，有的限位支架運行效果很好，如后面8.2 的實例。

(2)管道布置不變，僅增加限位支架。靠近法蘭附近需直線段，但有時生根困難，不易實現(xiàn)，對于管徑較大的法蘭，承受外載也較大，宜結(jié)合修改管道布置的措施。

(3)外載不變的情況下，提高法蘭的公稱壓力PN，增加壓力裕量，使Pec＜Pr。另外，還有特殊的情況，就是法蘭提高PN 后，由于經(jīng)濟及管道布置修改困難等原因需要保留較低檔的法蘭，形成一個管道等級內(nèi)同管徑有兩項PN 不同的法蘭，即二選一。較高檔的法蘭，可作為該等級的特定法蘭。在軸測圖中應(yīng)以件號表示法蘭，避免施工錯誤。這種二選一的做法建議盡量少用。

如修改管道布置及管架設(shè)計可以減載時，不宜采取提高PN 的措施。除非壓力裕量過低。

從前述及表4 可看到，DN ＜40 管道，法蘭PN有時比大管高一檔，應(yīng)屬正常。

提高PN 的做法，如法蘭PN 為二選一，需滿足與設(shè)備管口及組成件法蘭相連接的一致性。注意與采購環(huán)節(jié)有關(guān)。

采購帶法蘭的組成件，本體按設(shè)計壓力、溫度的條件，法蘭的PN 及外載屬于連接的條件，這樣更經(jīng)濟合理。

8 管架設(shè)計對法蘭防護的作用

法蘭承受外載有兩種情況:①自重產(chǎn)生的彎矩，可加承重架消減外載;②有熱/冷位移的管道產(chǎn)生彎矩，采用前述措施減小外載。

8.1 限位支架的要求

(1)用兩組A、B 間距為S1的支架承受外載，支架的強度應(yīng)能承受全部外載，見圖1。

圖1 限位支架示意圖

(2)注意合成彎矩的方位;支承點應(yīng)與合成彎矩的方位符合。

(3)要有可靠的生根點，剛性要好。

(4)管外覆有加強板，摩擦面平整，間隙合理，例如按Mc的方向，a、b 摩擦面不留間隙，c、d 面應(yīng)留間隙，間隙應(yīng)略大于管子徑向熱脹量。

(5)低溫管道，應(yīng)防止法蘭受拉，在A 組處應(yīng)加承受軸向力的構(gòu)件。

以上(3)、(4)與支架減載的效率有關(guān)，如限位架減效或損壞會危及法蘭。另外，如一條管道有多個法蘭，應(yīng)檢查各法蘭的外載，當兩個以上法蘭的外載超過允許值，宜修改管道布置減載。

8.2 轉(zhuǎn)動設(shè)備接口管道的限位支架實例

透平機管口法蘭的受力要求極為嚴格，可用圖2 型式的管架及管道布置進行防護。

圖2 動設(shè)備連接管道的限位架

圖中l(wèi)1較長，l2較短，僅采用單點限位，可達到好效果。也可用四根鉸接拉桿(90°分布)代替圖(a)的構(gòu)架。

9 結(jié)語與討論

(1)法蘭有安全防護的問題，為何ASME B31.3 規(guī)范［2］沒有涉及Pe的應(yīng)用?國際上知名工程公司在工業(yè)管道設(shè)計中是否也有同樣情況?另外從原理上講纏繞式墊片彈性好，法蘭承受外載可能會與其他墊片不同，對外載的限制也可能存在差異。為了工程設(shè)計與國際接軌，有必要了解國際上管理的觀點與要求。

(2)焊唇墊片在高壓高溫的管道上應(yīng)用，有的國外工程公司早已實現(xiàn)。這是零泄漏的結(jié)構(gòu)，適宜在A1 類流體管道中使用，特別是管徑較大的?，F(xiàn)在還缺標準，不利于推廣應(yīng)用。

(3)法蘭連接的結(jié)構(gòu)是薄弱環(huán)節(jié)，在發(fā)電廠管道［4］的高壓高溫閥門采用對焊連接，是國外普遍的做法，既安全又經(jīng)濟。今后在工程中，有備用系統(tǒng)的管道，高壓高溫閥門宜創(chuàng)造條件用對焊連接。

(4)對于未經(jīng)計算機柔性計算的管道，如能在管道布置走向及管架設(shè)計中使法蘭附近管段符合管道柔性簡化計算的圖形，則可按簡化計算取得外載數(shù)據(jù)。采用其他方法，還有待探索。

1 Pipe flanges and flanged fittings ASME B16.5 ［S］.

2 ASME code for pressure piping (process piping)ASME B31.3［S］.

3 ASME Boiler ＆ Pressure vessel code Section III ［S］.

4 聯(lián)邦德國H. H. 歐德·亨格爾等著，李錫武等譯. 發(fā)電廠管道［M］. 水利電力出版社，1987.10.

5 HG/T20592 ～20635 -2009，鋼制管法蘭、墊片、緊固件［S］.