法兰泄漏校核的方法及适用范围的研究

法兰泄漏校核的方法及适用范围的研究

祝佳盼

中国天辰工程有限公司管道工程部

摘要：法兰泄漏校核是工程设计中比较复杂的课题，为研究不同的法兰泄漏校核方法及适用范围，本文以标准法兰的温度-压力额定值为基准，利用CAESRA II 应力分析计算软件，模拟出不同工况下各校核方法的泄漏界限，并根据各种校核方法的原理，推荐不同法兰泄漏校核方法的适用范围和场景。

关键词：法兰泄漏  校核方法  Taylor forge CAESAR II

1. 引言

法兰连接是压力管道中最常用的可拆卸连接形式，广泛应用于压力管道中管件、阀门、设备等之间的连接，因此如何保证法兰接头的安全性十分重要。然而由于法兰连接涉及法兰、垫片、紧固件等多个元件，涉及预紧、试验、使用等多个过程，涉及介质压力、预紧力、外力、外弯矩、温度等多种荷载，法兰的失效准则也分为应力引起的强度失效和变形引起的刚度失效准则，如何对法兰接头进行安全性评定是一个比较复杂的问题。基于以上多种因素的考量，也就出现了多种法兰接头的安全性评定方法。必须明确的是，变形引起的刚度失效可能更加贴近实际的失效形式，但是要考虑法兰的偏转角度、垫片的压缩量或应变量，螺栓的伸长量等，变形的计算需采用有限元分析，难度较大，对于工程设计来讲，既没有必要也不切实际。况且由于安全系数较大，一般而言，基于强度计算出的螺栓截面积和法兰厚度是足够的。那么，以上多种法兰泄漏校核方法，在实际的工程设计中，分别适用哪种场合，哪个方法比较精确，哪个方法又比较安全呢？本文以标准法兰的温度-压力额定值为基准，探讨各法兰校核方法的泄漏界限和适用范围。

2.  标准法兰的压力-温度额定值PR

压力-温度额定值来源于ASME B16.5、 B16.47，规定了具有相近弹性模量的金属材料，即碳素钢、合金钢、不锈钢、镍基合金的钢制管法兰的压力—温度额定值。

2.1 ASME B16.5 B16.47钢制管法兰的压力-温度额定值确定原则

PR=(10S/8750)xPc≤Pr[1]

式中：

PR=法兰在相应温度下的压力额定值，bar

S=法兰材料许用应力值，MPa

Pc=法兰Class等级值

Pr=最大压力额定值，bar（区别于PR）

2.2 标准法兰的螺栓面积的确定准则

Abx7000psi≥AgxPc[1]

其物理含义是：螺栓承载能力不小于内压在垫片密封面外径范围内的推力。

3. 各种法兰校核方法

3.1当量压力法

    当量压力法来源于Kellogg工程公司，此方法最为常用，也被GB/T20801采用，已被大量的工程实践证明具有足够的安全性。公式如下：

    Peq = 16M/πG3 + 4F/πG2 + PD≤ PR[2]

式中：

Peq =当量压力

M =作用在法兰上的弯矩

G =法兰垫片上的有效直径

F =作用在法兰上的轴向力

PD = 设计压力

PR=法兰在相应温度下的压力额定值

公式原理是将轴向力和弯矩都转换为作用在垫片上的压力，与内压一起构成当量压力。然后以压力-温度额定值作为法兰泄漏的评判标准，当量压力小于PR即为合格。但是当量压力法并不精准，原因是：第一，认为外部载荷完全作用在垫片上，忽略了螺栓、法兰等结构所承担外部载荷的影响；第二，ASME标准法兰等级表中的压力-温度额定值的保守程度没有量化。

3.2 Taylor forge方法

Taylor forge方法是美国Taylor forge公司在1938年提出的螺栓法兰设计方法，因被ASME BPVC VIII作为非标法兰设计方法[3]，成为最为经典的法兰设计方法。

Taylor forge在CAESAR II里的计算模块采用的是ASME BPVC SECTION VIII-2，通过输入标准法兰参数、配套螺栓和垫片参数、材料性能以及荷载，计算出法兰的轴向应力、径向应力、环向应力、最大平均应力以及螺栓应力。Taylor forge理论上比较完整，因此具有更高的精确度。但是Taylor forge方法计算输入参数繁多，专业性较强，计算过程比较麻烦。

3.3 CASE 2091

ASME BPVC-CC-BPV-2017[7]在限定条件下，给出了法兰校核的指导意见：必须是WN法兰；螺栓安装载荷符合ASME PCC-1；螺栓材料为中高强度螺栓。满足以上三个条件，则

16M/πG3 + 4F/πG2 + PD≤ （1+FM）PR

式中：FM=力矩系数，具体见下表。

   在工程设计中是很容易满足以上三个条件的，显然，CASE 2091相对于Kellogg当量压力法，将泄漏界限提高了FM倍，而且对于ASME B16.5低磅级、小口径法兰，FM非常可观。

3.4 NC-3658.1

计算公式：P＇＝ＰＤ＋16 Mfs /πG3 ≤PR

可以发现，NC-3658.1本质上也是当量压力法，不同于Kellogg的地方在于不考虑轴向力的影响。由于轴向力为压缩力时对法兰密封有利，为拉伸力时对法兰密封不利，因此准确度不如Kellogg，在后续的对比中不考虑此方法。

3.5 NC-3658.2

计算公式：Mfs≤AbCS/4

NC-3658.2认为弯矩全部作用于螺栓上，但是一定程度的弯矩变化并不会导致螺栓受力的显著变化，而是垫片压力的再分配，也就是说有可能法兰泄漏时螺栓有可能并没有发生极限拉伸。另外，NC-3658.2只能用于压力不超过0.7MPa同时温度不超过95℃的工况，适用范围很小。基于以上两点，在后续的对比中不考虑此方法。

3.6 NC-3658.3

计算公式：S = 248.22 * Mfs / (CAb * 21.6) ≤ Min(Sy, 248.22)

NC-3658.3也是CAESARII中的法兰校核方法之一，适用于高强度螺栓，螺栓强度38℃时大于等于138MPa的法兰连接，从法兰屈服强的角度考虑，限制最大许用弯矩。不考虑介质压力。

4. 不同校核方法比较

    研究思路：通过CAESARII建模计算，以PR为基准，对比四种校核方法的泄漏界限。由于法兰口径越大，磅级越高，越不容易泄漏，基于工程设计上的实用性，本文不考虑ASME B16.47的情况，也不对CLASS 900及以上磅级的法兰进行对比。

具体方法：选取2寸、4寸、6寸、12寸、24寸5个口径下的标准不锈钢法兰，标准螺栓，配普通不锈钢金属缠绕式垫片，分别考察CLASS 150、CLASS 300、CLASS 600法兰的承受力和力矩的能力。CLASS 150时假定工作压力为0.5Mpa，CLASS 300时假定工作压力为1.0Mpa，CLASS 600时假定工作压力为3.0Mpa，并同时选取100度、200度、300度三个温度，计算三个温度下的平均值。由于NC3658.3不考虑介质压力，在对比时，当量压力法也忽略了介质压力。经过大量的模拟计算，整理数据，得到以下结果。

图4.1 CLASS 150 PD=0.5MPa时，4种方法与PR的比值

图4.2 CLASS 300 PD=1.0MPa时，4种方法与PR的比值

图4.3 CLASS 600 PD=3.0MPa时，4种方法与PR的比值

5. 结论和建议

1、大部分情况下，泄漏界限NC3658.3>Taylor forge> CASE 2091>当量压力法。

2、法兰处于Class300及以下、DN300及以下时，Taylor forge和NC3658.3具有明显的优势，可以得到令人满意的结果，但是随着磅级升高，Taylor forge只在6寸以下口径具有优势，在12寸时已经低于CASE 2091,在24寸时已经低于当量压力法。

3、NC3658.3限制的是法兰屈服强度，由于不考虑介质压力，实际设计中基本不适用材料等级高的管道。NC3658.3计算上比Taylor forge方便快捷，小口径下泄漏计算比较容易通过，但是精准度不够。在介质压力低、非易燃易爆非有毒介质时可以采用，总体而言适用性较差。

4、由于标准法兰的温度-压力额定值，在小口径、低磅级时，总螺栓截面面积裕量很大，当量压力法在校核小口径低磅级法兰泄漏时非常保守。当介质危险性较高时，应优先使用当量压力法，具有更高的安全保障。

5、CASE 2901限于WN法兰，并且螺栓材料是SA-193 B8 CLASS2及以上。但是实际工程设计中非常容易满足，如果当量压力法校核不能通过，一般可直接使用CASE 2901评判。

根据以上分析，综合考虑安全性、精确性、适用范围和使用方便程度，推荐使用顺序如下：

a)对于处于Class300及以下、DN300及以下口径的法兰，和处于Class600、 DN150及以下口径的法兰，首先使用当量压力法评判，如果校核不通过，再看是否符合使用CASE 2091的条件，如果符合并校核通过，仍然认为法兰接头是安全的，如果不符合或者校核没有通过，就考虑使用Taylor forge应力计算法。

b)对于a）范围以外的法兰，考虑当量压力法和CASE 2091，不必考虑Taylor forge法。

c)对于GC1类压力管道的法兰，应选择保守程度最大的方法使用。一般而言，建议使用当量压力法评判。

d）NC3658.3不考虑介质压力，只校核法兰强度，建议只在介质安全的场合使用。

参考文献：

[1] ASME B16.5-2003,管法兰和法兰管件[S].

[2] GB/T 20801.3-2006 压力管道规范 工业管道第三部分：设计和计算[S].北京：中国标准出版社，2006，28~29.

[3] ASME BPVC Section VIII, pision 2 2010 [S]. 4-305~4-313

[4] GB 150.3—2011 压力容器 第三部分：设计[S]. 北京：中国标准化出版社，2011，183~197.

[5] GB/T 17186.1-2015 管法兰连接计算方法[S]. 北京：中国标准化出版社，2015.

[6] ASME BPVC Section III, pision 1 NC 2015 [S].

[7] ASME BPVC.CC.BPV.S4-2017[S].