刘 颂

(中国石化工程建设有限公司，北京 100101)

法兰是石油化工领域中管道与管道、管道与设备间最常用的连接方式，具有拆装方便、承压能力好、密封性好等优点。螺栓法兰连接系统由一对法兰，若干螺栓、螺母和一个垫片组成，密封方式属于强制密封【1】。法兰系统的失效模式主要是密封失效，即在密封处因法兰发生较大塑性变形、垫片屈服或紧固件松弛、断裂【2】造成的泄漏。法兰连接系统的各个元件间相互作用，共同实现整个系统的稳定。螺栓的紧固、垫片的自有属性、介质的渗透性和密封面型式等相关因素也可能导致法兰系统出现失效问题。

目前法兰计算方法多为基于强度失效的计算，其中Taylor-Waters法是目前工程领域应用最广泛的法兰计算方法。考虑法兰连接系统的复杂性，Waters法的评定原则并不能对法兰做出完整性的评价，该方法多用于指导非标法兰的设计与计算【2-5】。除个别场合需要采用非标设计的法兰外，石化行业中管道与设备、管道与管道用管法兰，多选用标准管法兰。标准管法兰结构尺寸及其压力-温度额定值选择法与Waters法是依据两个互不相关的规则，两者之间不存在关联性【5】。并且，标准管法兰体系已历经一百多年的工程实践，具有相当的可靠性。但是随着高温、高压、易燃、易爆管线应用越来越多，法兰连接系统必然还会受到因重力、热应力、振动等管线外载荷的作用。因此， 如何有效地评估外载荷作用下的标准管法兰的承载能力，将变得更有工程实际意义。

1 石化设计常用法兰评估方法

笔者查阅国内外相关文献，发现法兰评估方法并不唯一。例如，核工业领域常用ASME NC3658.2(螺栓面积法)、 ASME NC3658.3(最大屈服强度法)对外载荷作用下的法兰进行评估，而在石化行业，当量压力法则是应用最为广泛的法兰评估方法。我国GB/T 20801—2020、NB/T 47041—2014、HG/T 20583—2020、SH/T 3074—2018等标准皆引用当量压力法用于指导和评估压力容器、压力管道中法兰在外载荷作用下的可靠性。本文对当量压力法的假设和推导过程作进一步分析，并结合工程实例，就其保守性展开探讨。

1.1 当量压力法介绍

当量压力法具体计算公式如式(1)所示。

(1)

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。

该公式由三部分构成：

1) 计算压力Pc。如有必要，除考虑容器的设计压力外，尚应考虑介质液柱静压力的影响。

2) 法兰外部轴向拉力当量的静压载荷P1。

将轴向力F等效为DG范围内的端部静压载荷P1。

(2)

式中：P1——轴向拉力当量的静压载荷，MPa。

3) 外部弯矩当量静压载荷P2。

这里经过两次转化，第一次是将弯矩转化为轴向力，如式(4)所示，第二次是将轴向力按照式(2)再转化为静压载荷P2，如式(5)所示。

垫片处弯曲应力

(3)

式中：σ——外部弯矩引起的轴向应力，MPa；

W——垫片处的抗弯截面模量，mm3；

b——垫片有效密封宽度，mm。

垫片处轴向力

(4)

式中：F1——垫片处的轴向力，N。

综上可知，弯矩当量静压载荷

(5)

式中：P2——外部弯矩当量静压载荷，MPa。

1.2 当量压力法的评估过程

当量压力法运算简单，能够较为快捷地对法兰的可靠性进行评估，在工程上应用较为广泛，但该方法对轴向力和弯矩的当量转化较为简单，尤其是弯矩作用下的垫片力沿环向的不均匀性并未体现【6】，被工程实践证明较为保守。举例说明如下。

某重整装置中催化剂加料闭锁料斗， 设计压力1.2 MPa， 设计温度95 ℃， 催化剂出口选用规格为WN100-Class 300、材质为16Mn锻件的HG/T 20615—2009标准管法兰，垫片为D100-Class 300的HG/T 20631—2009标准缠绕垫。根据HG/T 20615—2009压力-温度额定值表，查得其最大允许工作压力Pa为4.7 MPa>1.2 MPa，符合设计原则。管道应力专业通过核算，提出法兰连接处节点的管线载荷，具体如表1和图1 所示。按照该管线推力，依据式(1)折算当量设计压力Pe=6.4 MPa>Pa=4.7 MPa，考虑此催化剂管线布置要求较为严格，管线外载荷无法再次调整，因此从设计角度，必须对此次出现的管线外载荷提出合理、可靠的解决方案，以保证装置后续的顺利开车及平稳运行。

表1 管线载荷

图1 管线外载荷节点

图1中的1080节点即为催化剂加料闭锁料斗底部出口与管线法兰的外载荷，其中：Fx、Fy、Fz为三个方向的外部力，Mx、My、Mz为三个方向的外部弯矩。

针对上述管线外载荷当量设计压力评定不合格问题，按照工程设计思路，在不改变管线布置的前提下，从静设备设计角度出发，一般有3种解决方案：

1) 提高法兰压力等级

将法兰压力等级由Class 300改为Class 600， 则最大允许工作压力相应提高为Pa=9.4 MPa>Pe=6.4 MPa，可以满足要求。

2) 进行非标法兰设计

以WN100-Class 300标准法兰模数为基础，以Pe=6.4 MPa作为设计压力，以非标法兰常用的Taylor-Waters法作为计算依据进行非标法兰设计，最终得到满足设计要求的非标法兰模数。

3) 增大法兰规格

以上3种解决方案均是完全通过式(1)所示的法兰当量压力法折算得到的当量设计压力来评估法兰系统在外载荷作用下的安全裕度的，是能够被工程设计接受的。

1.3 当量压力法的保守性

以上3种方法虽然可行，但是从法兰设计角度看，会使设计工作变得繁琐；从成本角度看，也使得费用有所增加，尤其是对于法兰规格较大、压力等级较高的应用场合，上述方法不够经济。通过对比已建成同类装置相同布置形式的管线，发现该工程实例中管道专业所提外载荷仅超出常规5%～10%，但以当量设计压力作为评估方法，则超出额定值36%之多，这反映出该方法存在一定保守性。

ASME Section Ⅷ Division 1—2019 UG44提出一种外载荷作用下的法兰评估方法。该方法是在当量压力法基础上，对式(1)进行了一定的修订，如式(6)所示。

16ME+4FEG≤πG3[(PR-PD)+FMPR]

(6)

式中：ME——ASME符号，表示外力矩，与式(1)中M一致，N·mm；

FE——ASME符号，表示轴向外载荷(拉力时计入)，与式(1)中F一致，N；

G——ASME符号，表示垫片压紧力作用中心圆直径，与式(1)中DG一致，mm；

PR——压力-温度额定值表中给出的最大允许工作压力，MPa；

PD——ASME符号，表示计算压力，可取为设计压力，与式(1)中Pc一致，MPa；

FM——外载荷修正系数，具体取值见表2。

表2 外载荷修正系数FM

应用表2时要注意以下两点：

1) 未给出外载荷修正系数的尺寸范围和压力等级组合不在该表范围内；

2) 如果受到持续的外载荷或者处于法兰系统发生蠕变的温度下，应考虑减小外载荷修正系数。

该修订是针对考虑外载荷的美标法兰的压力-温度表所作的修正，其压力折算方法与当量压力法一致，仅在查询压力-温度表时添加修正系数FM。该系数是由ASME PVRC小组经过大量的案例和试验总结出的。通过表2可知，FM在一定程度上对不同压力等级、不同规格法兰的当量压力评定方法进行了“保守程度”的量化。 HG/T 20615—2009法兰与ASME B16.5法兰尺寸基本一致，因此该修订内容对选用HG/T 20615—2009法兰具有一定指导意义。

为了更直观地理解这种保守性，本文选取HG/T 20615—2009中的6个不同直径的标准管法兰，锻件材质选用16Mn，垫片选择标准缠绕垫，按照表3 所示的4种工况以SH/T 3074附录D给出的管口外载荷来模拟“实际管线推力”，并利用当量压力法进行折算，得到4组关于当量设计压力与最大允许工作压力关系的曲线，如图2所示。

图2 法兰当量压力保守程度对比

表3 法兰设计工况

通过对比分析4组曲线，得到如下规律：

1) 在工况一和工况二两种工况下，6种直径法兰的当量设计压力均大于最大允许工作压力；

2) 管口越小，当量设计压力与最大允许工作压力比值越大;

3) 法兰压力等级越小，当量设计压力与最大允许工作压力比值越大。

通过以上对比研究可知，本文所述算例呈现出的规律与ASME中外载荷修正系数FM是一致的。由此可知，当量压力法具有一定的保守性，尤其是对于规格小、压力等级小的法兰，当量压力法保守程度更高。除当量压力法具有一定保守性外，考虑螺栓安全系数取值比其他受压元件更大，法兰正常操作过程中，螺栓面积的裕度较为充足，因此在满足强度、刚度要求的前提下，螺栓预紧潜力较大，因此法兰标准中的压力-温度表同样具有一定“裕量”。

2 结论

本文结合具体工程实例，对当量压力法的评估过程进行进一步探讨，得到如下结论：

1) 当量压力法具有一定保守性。基于此，ASME Section Ⅷ Division 1—2019在评定法兰外载荷时，提出法兰外载荷修正系数FM，使采用当量压力法评估法兰可靠性变得更加合理。

2) 通过对4组算例进行对比分析，验证了当量压力法的保守性，同时还验证了当量设计压力与最大允许工作压力的关系，结果显示，不同直径、不同压力等级的法兰，其当量设计压力与最大允许工作压力的比值呈现出的规律与法兰外载荷修正系数FM是一致的。

3) 本文所述工程实例采用修正后的当量压力法对承受外载荷的法兰进行评估，实践证明，评估结果可靠。