姜 峰 梁宇翔 李有雯

(蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院)

法蘭連接結(jié)構(gòu)墊片標(biāo)準(zhǔn)體系研究①

姜 峰 梁宇翔 李有雯

(蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院)

介紹了法蘭連接設(shè)計(jì)方法的發(fā)展歷程，將目前最完善的歐盟墊片標(biāo)準(zhǔn)體系與國(guó)標(biāo)進(jìn)行了對(duì)比，根據(jù)對(duì)比結(jié)果發(fā)現(xiàn)國(guó)標(biāo)的一些不足之處，對(duì)改進(jìn)設(shè)計(jì)方法和完善墊片標(biāo)準(zhǔn)提出了若干建議，以供國(guó)內(nèi)研究人員參考。

法蘭連接 設(shè)計(jì)方法 墊片標(biāo)準(zhǔn)

螺栓法蘭連接廣泛用于化工、煉油等行業(yè)的壓力容器和管道中[1]，該連接結(jié)構(gòu)受操作工況下介質(zhì)壓力、溫度及管系產(chǎn)生的附加彎矩、附加軸向力等載荷的作用，易發(fā)生泄漏[2]，導(dǎo)致密封失效，這不僅會(huì)造成能源浪費(fèi)、環(huán)境污染，還可能釀成災(zāi)難性事故。如：2016年，某石化公司在檢修后的開工過程中進(jìn)料過濾器法蘭泄漏著火，因處理及時(shí)未造成人員傷亡；2013年，海南一肉類加工公司液氮儲(chǔ)罐法蘭口墊片老化造成泄漏，當(dāng)?shù)鼐o急疏散群眾400余人。保證螺栓法蘭接頭的密封性能對(duì)于設(shè)備的長(zhǎng)期正常使用和人員安全有著重要作用，而形式、結(jié)構(gòu)、性能復(fù)雜的墊片則是控制泄漏的關(guān)鍵部件。因此，法蘭連接設(shè)計(jì)方法和相關(guān)的墊片技術(shù)要求越來越被重視[3]。

1 法蘭連接設(shè)計(jì)方法進(jìn)展

對(duì)于法蘭接頭的設(shè)計(jì)、計(jì)算方法，最常用的是Waters法(華脫斯法)。該方法主要以墊片的性能參數(shù)m、y來確定墊片反力，以此為載荷對(duì)法蘭和螺栓進(jìn)行應(yīng)力校核計(jì)算。由于其計(jì)算模型極其簡(jiǎn)化，能對(duì)復(fù)雜的法蘭連接進(jìn)行初步的設(shè)計(jì)計(jì)算，自20世紀(jì)30年代提出以來，被各國(guó)的壓力容器標(biāo)準(zhǔn)普遍采納，如ASME規(guī)范、我國(guó)的GB/T 150及日本的JIS B8270等。但這種傳統(tǒng)的法蘭設(shè)計(jì)方法僅對(duì)法蘭連接件進(jìn)行了強(qiáng)度校核，而法蘭接頭的泄漏、密封還與墊片本身的密封性能有很大關(guān)聯(lián)[4]。為解決此問題，美國(guó)壓力容器研究委員會(huì)(PVRC)進(jìn)行了一系列有關(guān)法蘭墊片性能參數(shù)的研究，并在1989年提出了一個(gè)基于泄漏率準(zhǔn)則的螺栓法蘭連接接頭設(shè)計(jì)新方法[5]。該方法提出了新的墊片系數(shù)Gb、a、Gs，并引入了緊密度等級(jí)TP的概念，盡管能反映出墊片在預(yù)緊時(shí)的密封能力，但這些系數(shù)與法蘭連接的密封性并沒有明確的定量關(guān)系，因而最終未被廣泛采用。

歐洲標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)法蘭及其接頭委員會(huì)(CEN/TC)吸收了部分PVRC的研究成果并采納了德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)DIN 2505的設(shè)計(jì)思想，于1994年發(fā)布了法蘭計(jì)算的新標(biāo)準(zhǔn)草案prEN 1591-1《法蘭及其接頭-帶墊片圓形法蘭連接設(shè)計(jì)規(guī)則——第1部分：計(jì)算方法》(2001年成為歐盟正式執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，以下簡(jiǎn)稱EN 1591)[6]。相對(duì)于傳統(tǒng)方法，EN 1591全面考慮了螺栓法蘭連接系統(tǒng)的機(jī)械特性，不僅進(jìn)行強(qiáng)度校核，更進(jìn)行了密封性計(jì)算，使設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況更為貼切。但是，由于考慮的因素較多，使其計(jì)算頗為復(fù)雜，且墊片系數(shù)很難確定[7]。

2 歐盟與國(guó)內(nèi)墊片標(biāo)準(zhǔn)的比較

如上所述，目前使用最為廣泛的法蘭連接設(shè)計(jì)方法為Waters法和歐盟EN 1591方法，我國(guó)現(xiàn)階段的法蘭設(shè)計(jì)主要是Waters法。兩種計(jì)算方法均各自規(guī)定了墊片的設(shè)計(jì)參數(shù)，用于設(shè)計(jì)計(jì)算螺栓法蘭接頭。現(xiàn)從下面幾個(gè)方面對(duì)歐盟EN1591和國(guó)內(nèi)墊片標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較。

2.1標(biāo)準(zhǔn)體系比較

2.1.1EN墊片系列標(biāo)準(zhǔn)

CEN/TC分別于1997年、2001年啟用了墊片尺寸標(biāo)準(zhǔn)EN 1514、EN 12560，2004年頒布了墊片參數(shù)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)EN 13555，2005年頒布了墊片質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)EN 14772。這些標(biāo)準(zhǔn)與EN 1591組成了一個(gè)完整、規(guī)范的墊片標(biāo)準(zhǔn)體系(圖1)。

該標(biāo)準(zhǔn)體系中，EN 1591-1設(shè)計(jì)計(jì)算方法所需的墊片特性參數(shù)由ENV 1591-2《法蘭及其接頭-帶墊片圓形法蘭連接設(shè)計(jì)規(guī)則——第2部分：墊片參數(shù)》給出[8]。EN 1591的這兩部分被直接收錄于EN 13445-3《無燃燒壓力容器——第3部分：設(shè)計(jì)》，作為其附錄G[9]。由于ENV 1591-2中的墊片參數(shù)沒有給出具體的試驗(yàn)方法，與泄漏率也沒有關(guān)聯(lián)，受溫度的影響情況亦不明確，因此CEN/TC在1999年提出了草案prEN 13555，該草案在2004年成為正式執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，即EN 13555《法蘭及其接頭-帶墊片圓形法蘭連接設(shè)計(jì)規(guī)則所需墊片參數(shù)及其試驗(yàn)方法》[10]。該標(biāo)準(zhǔn)按照EN 1591-1規(guī)定了墊片和密封材料的設(shè)計(jì)參數(shù)，并提供了能檢驗(yàn)ENV 1591-2相關(guān)參數(shù)的試驗(yàn)程序，建立了在EN 1591-1標(biāo)準(zhǔn)下可用的設(shè)計(jì)公式。

2.1.2Waters法(國(guó)標(biāo))墊片系列標(biāo)準(zhǔn)

Waters法自提出以來已被許多國(guó)家采用，我國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 150也采用的是Waters法，螺栓法蘭接頭設(shè)計(jì)、計(jì)算所需的重要墊片特性參數(shù)m、y根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)確定(GB/T 150-3《壓力容器——第3部分：設(shè)計(jì)》表7-2中給出了常用材料對(duì)應(yīng)的推薦值[11])。國(guó)內(nèi)在20世紀(jì)末對(duì)墊片標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了大量的修訂和更新，制定了多個(gè)相關(guān)的墊片標(biāo)準(zhǔn)。但相比已經(jīng)十分完整、規(guī)范的EN墊片標(biāo)準(zhǔn)體系，國(guó)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)還有不足[12,13]，尤其在墊片標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)方面有待加強(qiáng)。

2.2墊片性能要求、參數(shù)、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)比較

自石棉墊片逐步禁用或限制后，許多新的墊片材料和結(jié)構(gòu)開始迅速得以應(yīng)用，這對(duì)墊片性能和墊片參數(shù)測(cè)試方法的研究提出了更深入的要求[14]，相關(guān)的墊片標(biāo)準(zhǔn)也在不斷地修訂、更新。

2.2.1墊片性能標(biāo)準(zhǔn)

一個(gè)完整墊片標(biāo)準(zhǔn)體系應(yīng)能準(zhǔn)確反映出墊片在操作工況下的密封性能，并對(duì)螺栓法蘭接頭進(jìn)行設(shè)計(jì)、計(jì)算，需要能反映墊片性能的墊片特性參數(shù)，在EN墊片標(biāo)準(zhǔn)體系中，這些墊片參數(shù)均由EN 13555通過標(biāo)準(zhǔn)化試驗(yàn)得到。國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的墊片特性參數(shù)僅一部分是由標(biāo)準(zhǔn)化試驗(yàn)所得，如：GB/T 12385《管法蘭用墊片密封性能試驗(yàn)方法》[15]，GB/T 12621《管法蘭墊片應(yīng)力松弛試驗(yàn)方法》[16]，GB/T 12622《管法蘭用墊片壓縮率和回彈率試驗(yàn)方法》[17]；而最重要墊片特性參數(shù)m、y則是根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)確定(GB 150給出了推薦值)，計(jì)算的精確性難以保證，工程實(shí)際中常常選擇保留非常大的安全余量來解決這一問題。表1和表2列出EN 13555與國(guó)標(biāo)的墊片參數(shù)定義和確定方法。

表1 EN 13555與國(guó)標(biāo)的墊片參數(shù)定義

(續(xù)表1)

表2 EN 13555與國(guó)標(biāo)的墊片參數(shù)確定方法

2.2.2墊片尺寸標(biāo)準(zhǔn)

CEN分別于1997年啟用了EN 1514《法蘭及其接頭-PN標(biāo)示法蘭的墊片尺寸》[18]，2001年啟用了EN 12560《法蘭及其接頭-CLASS標(biāo)示法蘭的墊片尺寸》[19]，歐盟制定的墊片尺寸標(biāo)準(zhǔn)均以兩個(gè)平行的系列展開，即以PN和CLASS分別標(biāo)示的系列，此后又不斷進(jìn)行增訂，幾乎囊括了所有常用墊片類型。國(guó)內(nèi)的墊片尺寸標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)使用習(xí)慣，一部分類型的墊片將尺寸按PN系列和CLASS系列分別編排，其余類型墊片的尺寸標(biāo)準(zhǔn)并未分別編排；全國(guó)化工設(shè)備設(shè)計(jì)技術(shù)中心站聯(lián)合有關(guān)部門在2009年發(fā)布了新的化工行業(yè)規(guī)范HG/T 20592-20635《鋼制管法蘭、墊片、緊固件》，該規(guī)范參照歐美先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合國(guó)內(nèi)實(shí)際情況修訂而成，包括了國(guó)際通用的兩大管法蘭、墊片和緊固件標(biāo)準(zhǔn)系列：PN系列和CLASS系列[20]。表3為歐盟、國(guó)標(biāo)和化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的墊片尺寸標(biāo)準(zhǔn)。

表3 歐盟、國(guó)標(biāo)和化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的墊片尺寸標(biāo)準(zhǔn)

2.2.3墊片質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

墊片標(biāo)準(zhǔn)的制定與發(fā)展的最終目的是指導(dǎo)實(shí)際應(yīng)用，一個(gè)完善的標(biāo)準(zhǔn)體系不僅要有理論研究的深度，也需要顧及用戶選用的廣度。為此，CEN于2003年通過了草案prEN 14772《法蘭及其接頭-EN 1514和EN 12560系列標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)的墊片的質(zhì)量保證檢查和試驗(yàn)》(該草案于2005年成為歐盟正式執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn))[21]，該標(biāo)準(zhǔn)囊括了EN 1514和EN 12560中的相關(guān)要求，介紹了墊片組成材料的重要特性并列舉了一些簡(jiǎn)單、可靠的試驗(yàn)方法供制造商使用。目前，國(guó)內(nèi)還沒有制定出成體系的墊片質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，各個(gè)類型墊片的技術(shù)條件標(biāo)準(zhǔn)雖然能大致滿足尺寸、制造和技術(shù)性能要求，但對(duì)制造商的限制太大，不利于墊片使用的推廣。以非金屬平墊片為例，國(guó)內(nèi)相應(yīng)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 9129《管法蘭用非金屬平墊片-技術(shù)條件》[22]，表4為EN 14772與GB/T 9129的主要質(zhì)量保證檢查和試驗(yàn)方法。

表4 非金屬平墊片的主要質(zhì)量保證檢查和試驗(yàn)方法

3 完善國(guó)內(nèi)墊片標(biāo)準(zhǔn)的建議

近年來，國(guó)內(nèi)的墊片標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過修訂，不斷增加材料品種和性能指標(biāo)要求，擴(kuò)大了標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍，初步形成了一個(gè)比較規(guī)范的墊片標(biāo)準(zhǔn)系列。但通過與歐盟體系的比較，不難發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)還存在一些問題：沿用使用已久的Waters計(jì)算方法，其墊片參數(shù)m、y與密封介質(zhì)和泄漏率無關(guān)，且無法通過標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)進(jìn)行確定，難以在新材料、結(jié)構(gòu)的墊片產(chǎn)品中推廣使用；相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)不夠完善，即有的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定方法單一，墊片產(chǎn)品的性能數(shù)據(jù)不夠完善，導(dǎo)致各制造商的產(chǎn)品良莠不齊。因此，建議組織相關(guān)的委員會(huì)進(jìn)行有關(guān)試驗(yàn)研究，根據(jù)我國(guó)國(guó)情，改進(jìn)傳統(tǒng)的墊片參數(shù)，使之與泄漏率相關(guān)聯(lián)，并完善試驗(yàn)方法；參照歐盟標(biāo)準(zhǔn)，盡快完善配套的墊片制造、質(zhì)量檢驗(yàn)和用戶選用一體化的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，提高國(guó)內(nèi)密封企業(yè)技術(shù)水平。

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StudyonGasketStandardSystemofFlangeConnectionStructure

JIANG Feng, LIANG Yu-xiang，LI You-wen

(CollegeofPetrochemicalEngineering,LanzhouUniversityofTechnology)

The development of flange connection design methods was introduced and the difference between EU standard system and Chinese standard system were compared to indicate the deficiencies in the Chinese standard system. Some suggestions to improve design methods and perfect the gasket standards were presented to provide the reference for researchers.

flange connection, design method, gasket standards

姜峰(1969-)，副教授，從事壓力容器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和可靠性研究工作，1090267470@qq.com。

TQ055.8

A

0254-6094(2017)05-0479-05

2016-12-30，

2017-09-06)