淺談高壓管道組成件的設計

王義昌 天津市揚子化工技術有限公司 天津 300061

隨著我國石油化學工業的蓬勃發展，高壓化工裝置的生產能力越來越大，現普遍采用的設計依據和現行標準規范沖突甚多，如何科學、合理、經濟地按國際先進水平設計高壓管道組成件已迫在眉睫。

1 兩種法蘭系列標準規范

1.1 螺紋法蘭系列

1.1.1 H 標準

國內高壓管、管件和緊固件的設計一直沿用《高壓管、管件及緊固件通用設計》 (H1 ～31 -67)，以下簡稱H 標準。該標準是在上個世紀60年代前蘇聯標準ТУИО8100 -50 的基礎上，根據我國當時的實際情況，采用以碳鋼代替鉻鉬鋼制成Ⅰ級溫度用雙頭螺栓、法蘭厚度減薄約30%、允許直接采用軋材制造和以焊代鍛等措施制定的。該法蘭為螺紋法蘭，圓錐形面在管道上，其母線與中心線夾角為20°。

現在從標準網上已查不到該標準;從H -67“高壓管、管件及緊固件通用設計”的編號看，不屬于HG 化工行業標準;從名稱看，它是通用設計，且與現行標準矛盾甚多。

1.1.2 機械行業標準

1979年，機械行業沿用H 標準公布了PN160～PN320 高壓管道組成件的機械行業標準JB 2768～JB2778。該標準經過多次修訂，形成現在的《鍛造角式高壓閥門技術條件》JB/T 450 -2008、《閥門零部件高壓管子、管件和閥門端部尺寸》JB/T 2768 -2010、 《閥門零部件高壓螺紋法蘭》JB/T 2769 -2008、《PN16.0 ～32.0 MPa 接頭螺母》JB/T 2770 -1992、《PN16.0 ～32.0 MPa 接頭》JB/T 2771 -1992、《閥門零部件高壓盲板》JB/T 2772-2008、《閥門零部件高壓透鏡墊》JB/T 2776 -2010 和《閥門零部件高壓管件和緊固件溫度標記》JB/T 2778 -2008 等系列標準。

該行業標準為機械行業生產高壓管道組成件的制造標準。

1.1.3 企業標準

由于H 標準的內容已跟不上時代的步伐，最大管徑只為DN150，有些生產企業延伸了H 標準，增加了較大管徑的規定，制訂了規范本企業生產行為的企業標準。如浙江工業大學化工設備有限公司的企標ZH300 -2009 高壓管、管件及緊固件標準;岳陽筑盛閥門管道有限責任公司的DH 企業標準;湖南四化建高壓閥門管件有限公司的GH標準。

某企業標準的標準公稱壓力PN160、PN220、PN260、PN320，公稱尺寸為DN6 ～ DN350。公稱壓力PN320 的最大公稱尺寸為DN300。

1.2 帶頸對焊法蘭系列

1.2.1 德國DIN 標準

德國在1972年頒布DIN 2696:1972 -04 《法蘭連接用透鏡墊》 (Lenticular ring joint gaskets for flanged joints)，1999年進行了修訂，公布了DIN 2696:1999 -08。該標準為透鏡墊標準，標準所配的法蘭標準為DIN 1092 -1 (PN63、PN100)、DIN 2636 (PN64)、DIN 2637 (PN100)、DIN 2638(PN160 )、 DIN 2628 (PN250 )、 DIN 2629(PN320)、DIN 2627 (PN400)，皆為帶頸對焊法蘭。帶頸對焊法蘭的連接面將突面的管口處制造成錐體連接面，圓錐形面的母線與其中心線夾角為20°。

DIN 2638 (PN160)、DIN 2628 (PN250)、DIN 2629 (PN320)、DIN 2627 (PN400)的最大管徑依次為 DN300、DN250、DN250、DN200。DIN 2696:1999 -08 規定透鏡墊連接的帶頸對焊法蘭的最大管徑為DN200。

1.2.2 美洲體系

美國ASMEB16.5 《管法蘭和法蘭管件》是一套完整的、系統的、使用廣泛的管法蘭標準。

HG/T 20615 是以ASMEB16.5 為依據編制的，公稱壓力最高為Class2500 (PN420)，可以滿足工程設計的需要。Class900 (PN150)、Class1500(PN260)、Class2500 (PN420)的帶頸對焊法蘭的最大管徑依次為DN600、DN600、DN300。

高壓管道法蘭密封面通常采用環連接面(RJ)。

1.2.3 前蘇聯標準

前蘇聯標準《附件、連接件和管路用法蘭型式. 連接尺寸和密封表面尺寸(1 至200kg/cm2)》ГОСТ 12815 -1980，也有透鏡墊連接的尺寸表，從PN63 至PN200，圓錐形面的母線與其中心線夾角為20°30＇。

PN200 的透鏡墊連接的帶頸對焊法蘭最大管徑為DN200。

該標準基本屬于歐洲體系。

帶頸對焊法蘭透鏡墊密封裝配示意見圖1。

2 兩個體系的比較

圖1 帶頸對焊法蘭透鏡墊密封裝配示意圖

2.1 規格尺寸

透鏡墊密封形式螺紋法蘭的壓緊錐面在管道上。為了防止透鏡墊在壓緊時損壞，墊圈截面積必須大于或等于法蘭螺栓的總截面積，即鋼管壁厚不但要滿足管內壓力的要求，也要滿足透鏡墊的要求。這樣，鋼管的壁厚往往比較厚，法蘭較厚重。

透鏡墊密封形式帶頸對焊法蘭的錐面位于法蘭突面處，靠法蘭錐面壓緊墊圈。

(1)H 標準的鋼管未采用國際通用的壓力管道外徑系列，是按公稱壓力等級形成固定的外徑和壁厚系列;未采用國際通用的公稱壓力及壓力-溫度額定值，只是按溫度系列劃分材料等級，劃分較粗，未有具體針對性。帶頸對焊法蘭以GB/T 9115 的數據為依據。

兩種體系用鋼管規格比較見表1。

表1 帶頸對焊法蘭和高壓螺紋法蘭用鋼管規格比較

從表1 可見，所有鋼管的壁厚螺紋法蘭系列都比帶頸對焊法蘭系列厚，如DN200 的鋼管，螺紋法蘭系列比帶頸對焊法蘭系列厚10mm，超重60.2kg/m。

(2)法蘭主要規格比較見表2。

表2 帶頸對焊法蘭和螺紋法蘭主要規格比較

從表2 可見，螺紋法蘭系列厚度在DN50 以上時比帶頸對焊法蘭系列厚，如DN200 的法蘭，螺紋法蘭系列比帶頸對焊法蘭系列厚65mm。

2.2 計算方法

2.2.1 H 標準

H 標準沿用的是前蘇聯標準《高壓管道零件技術條件》ТУИО8100 -50，其高壓螺紋法蘭計算方法為原蘇聯的扎哈林科計算方法。

該法認為:在法蘭與管子采用螺紋法蘭連接的情況下，法蘭內外邊緣邊界條件比較接近簡支狀態，因此可以假設法蘭為“環”，徑向彎曲應力和環向彎曲應力可以簡化為環向彎曲應力，起著控制作用。這是基于材料力學的計算方法，屬于過于簡化的法蘭盤的近似方法，而實際法蘭并非完全處于環向彎曲狀況，也存在徑向彎曲應力。而該計算方法沒有考慮法蘭中通常所存在的最大應力―錐徑應力。

2.2.2 歐美體系標準

目前國際上工業發達國家的法蘭國家標準歸納為歐洲體系和美洲體系，歐洲體系法蘭的計算方法為基于塑性極限載荷分析的方法，該法對法蘭按塑性極限載荷法進行計算，從而挖掘法蘭的承載能力，法蘭結構尺寸較小。

美洲體系是基于彈性分析的方法，從彈性分析準則計算法蘭的彈性名義應力，并通過控制適當的許用應力的辦法，來保證法蘭具有足夠的剛性，從而使整個連接達到密封可靠的要求

2.2.3 中國標準

《鋼制管法蘭連接強度計算方法》GB/T 17186-2008 規定的只有A、B 兩種，A 為美洲體系的計算方法，B 為歐洲體系的計算方法。

GB 150 -2011 規定的法蘭計算方法為美洲體系的計算方法。

3 高壓管管道組成件設計中標準規范的選用

我國的標準正在逐步向國際先進水平靠攏，但目前還沒有與國際接軌的高壓管道組成件的國家或行業標準。設計者在設計高壓管件時，應遵循《壓力管道安全技術監察規程-工業管道》TSG D0001 -2009 的規定，按《工業金屬管道設計規范》GB 50316 -2000 (2008年版)、《壓力管道規范工業管道》GB/T 20801 - 2006 的有關規定執行。

3.1 在維修、改造時的設計

為了和在役使用的管件相配套，在高壓管件的維修、改造時，如要和原管件配套，管道組成件型式尺寸建議按JB/T 450、JB/T 2768-2778 選用。當選用螺紋法蘭和原管件配套時，可選用一個短管節，一端為螺紋和法蘭連接，短管另一端采用外壁減薄、內壁減薄或內外壁皆減薄的方式和符合國際通用的管道外徑系列的管道焊接。其它按3.2 節高壓管件在新建、擴建時的設計方法設計。

3.2 在新建、擴建時的設計

我國執行的法蘭標準HG/T 20592 - HG/T 20635 是一套按歐洲體系和美洲體系分別編制的管法蘭標準，體系清晰、使用操作性強，具有成熟的工程使用經驗。其中帶頸對焊法蘭是適應所有壓力級別的法蘭，所以高壓管道法蘭的最佳選擇是帶頸對焊法蘭。

德國已在1972年頒布DIN 2696:1972-04 《法蘭連接用透鏡墊》標準，將透鏡墊連接的法蘭標準定為帶頸對焊法蘭，1999年又對它進行了修訂。前蘇聯也在1980年頒布ГОСТ 12815 -1980 標準，將透鏡墊連接的法蘭標準定為帶頸對焊法蘭。

在管徑≤DN200 時，可以直接選用按照德國DIN2696:1999 -08 標準的透鏡墊的的尺寸進行設計，選用GB/T 9115 -2010 《對焊鋼制管法蘭》PN160、PN250、PN320、PN400 系列的突面法蘭(該系列的帶頸對焊法蘭尺寸和德國標準相同)。將突面的管口處制造成錐體連接面和透鏡墊配合。圓錐形面的母線與其中心線夾角為20°。法蘭的材料、壓力-溫度額定值等技術要求執行GB/T 9124-2010 《鋼制管法蘭技術條件》。

因壁厚不同造成透鏡墊的某些尺寸不同，需要設計者因地制宜進行計算。由于透鏡墊內徑應不小于管道內徑，設計壓力、管道材料不同造成管內徑不同，則需計算透鏡墊的內徑d1以及和透鏡墊的內徑有關的其他參數:球面半徑r、接觸圓直徑dD、透鏡墊內側厚度h1等;帶頸對焊法蘭的錐面外徑d5、透鏡墊外徑d2、兩法蘭突面的距離x等尺寸均可采用德國DIN2696 標準中的數據。

筆者計算了PN250、設計溫度100℃、材料為20#的無縫鋼管的透鏡墊尺寸，PN250 帶頸對焊法蘭連接用透鏡墊尺寸見表3，該表未經施工檢驗，供設計者參考，符號意義見圖1。

表3 PN250 帶頸對焊法蘭連接用透鏡墊尺寸表

DIN2696 中未列出數據狀況，在管徑＞DN200時可以使用美洲體系的 Class900、Class1500、Class2500 級別的環連接面帶頸對焊法蘭。

零部件的要求為:帶頸對焊法蘭為20 鍛Ⅲ;全螺紋螺柱為35CrMo，螺母為30CrMo;透鏡墊處理后硬度要比管道材料稍軟。

高壓無縫鋼管選用GB 6479 -2000 《高壓化肥設備用無縫鋼管》，GB 6479 標準中硫含量要求≤0.030%，建議按GB150 對GB 6479 的要求，要求硫含量≤0.020%;

高壓管件按GB/T 12459 -2005 《鋼制對焊無縫管件》選用。

3.3 施工及驗收標準規范

施工及驗收應執行《工業金屬管道工程施工規范》GB 50235 -2010、《工業金屬管道工程施工質量驗收規范》GB 50184 -2011、《現場設備、工業管道焊接工程施工規范》GB 50236 -2011、《現場設備、工業管道焊接工程施工質量驗收規范》GB 50683 -2011。

4 建議

(1)隨著新材料、新技術和現代設備的硬件和軟件的不斷升級，H 標準已不能滿足現代工程設計的需要，應盡快制定出和國際接軌的高壓管、管件和緊固件設計規范。

(2)我國目前還沒有帶頸對焊法蘭透鏡墊連接面的標準，建議相關部門結合我國國情增加歐洲體系帶頸對焊法蘭PN250、PN320、PN400 等壓力系列，及其相應的透鏡墊密封面和相關規定。

5 結語

(1)H 標準的鋼管是按公稱壓力等級形成固定的外徑和壁厚系列，未采用國際通用的壓力管道外徑系列，也未按因設計壓力不同、設計溫度下的許用應力不同而壁厚不同的情況計算壁厚。

H 標準按溫度系列劃分材料等級，未規定在工作溫度下不同材料的最高允許工作壓力，即未規定壓力-溫度額定值。

H 標準和《工業金屬管道設計規范》GB 50316 -2000 (2008年版)、 《壓力管道規范工業管道》GB/T 20801 - 2006 的有關規定要求相差甚遠。

(2)在計算方法上，螺紋法蘭是基于材料力學的計算方法，屬于過于簡化的法蘭盤的近似方法。

高壓螺紋法蘭系列的管道組成件的重量比透鏡墊密封形式的帶頸對焊法蘭管系重，從而增加了工程投資。

透鏡墊密封形式的帶頸對焊法蘭比透鏡墊密封形式的螺紋法蘭連接有明顯的優點，因此不應再選用高壓螺紋法蘭。

在高壓管件的設計上應優先選用美洲體系法蘭。