設(shè)備法蘭用焊接密封墊片設(shè)計(jì)

龍 杰，苗俊軍

（二重 （鎮(zhèn)江）重型裝備有限責(zé)任公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212114）

隨著我國(guó)石化產(chǎn)業(yè)的規(guī)模化、大型化發(fā)展，石化裝備也朝著高參數(shù)化方向發(fā)展。石化裝置中高溫、高壓設(shè)備的操作介質(zhì)通常具有易燃、易爆、有毒特性，一旦泄漏將造成嚴(yán)重危害。因此，減少或避免介質(zhì)泄漏是高參數(shù)化設(shè)備的設(shè)計(jì)核心。常規(guī)的法蘭和密封墊片形式已經(jīng)難以滿(mǎn)足愈來(lái)愈苛刻的操作條件，而采用焊接密封元件進(jìn)行密封是一種防止泄漏的有效方法[1]。

上世紀(jì)我國(guó)開(kāi)始引進(jìn)焊接密封墊片結(jié)構(gòu)設(shè)備，經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行，證明這種結(jié)構(gòu)能夠滿(mǎn)足高溫、高壓密封要求，越來(lái)越多的化工設(shè)備上開(kāi)始采用焊接密封墊片。常見(jiàn)焊接密封墊片結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1[2]。圖1中DL為墊片受內(nèi)壓部分最大直徑，dG1為墊片實(shí)際接觸面最大內(nèi)徑，dG2為墊片實(shí)際接觸面最小外徑，d1為墊片內(nèi)直徑、d2為與法蘭接觸面外徑、d3為受內(nèi)壓部分最大外徑。

圖1 常用焊接密封墊片結(jié)構(gòu)

目前國(guó)內(nèi)關(guān)于焊接密封墊片的標(biāo)準(zhǔn)只有HG/T 20530—92《鋼制管法蘭用焊唇密封環(huán)》[3]，而國(guó)外的標(biāo)準(zhǔn)DIN 2695—2019《Diaphragm-weld Packings and Weld Ring Seals for Flange Connections》[4]中有完整的管法蘭用焊接密封墊片規(guī)格尺寸，但國(guó)內(nèi)外均缺少大直徑、高壓力設(shè)備法蘭用焊接密封墊片尺寸參考標(biāo)準(zhǔn)，亦無(wú)經(jīng)驗(yàn)可以參考。

GB 150.3—2011《壓力容器第3部分：設(shè)計(jì)》[5]第7.5.1.5條指出，墊片在預(yù)緊狀態(tài)下受到最大螺栓載荷的作用，壓緊過(guò)度將失去密封性能。墊片應(yīng)有足夠的寬度，其值可按經(jīng)驗(yàn)確定。文中通過(guò)分析預(yù)緊狀態(tài)下焊接密封墊片受力，總結(jié)出了墊片應(yīng)力校核方法。通過(guò)核算DIN 2695—2019中管法蘭用焊唇式墊片受力情況，確定了墊片受力合格指標(biāo)，并用實(shí)際工程應(yīng)用的墊片來(lái)驗(yàn)證合格指標(biāo)的合理性。最終通過(guò)迭代計(jì)算，給出了不同公稱(chēng)壓力、直徑下設(shè)備法蘭用焊唇式墊片尺寸參考值。

1 預(yù)緊狀態(tài)下墊片應(yīng)力計(jì)算方法

1.1 墊片應(yīng)力計(jì)算公式

參考 EN 13445.3—2014《Unfired Pressure Vessels—Part 3：Design》[6]G7.3 中對(duì)墊片應(yīng)力的校核方法，簡(jiǎn)化得出預(yù)緊狀態(tài)下墊片應(yīng)力的計(jì)算公式：

式中，σg為墊片應(yīng)力，Qmax為墊片最大抗壓強(qiáng)度，MPa[7]；Fg為墊片反作用力，N；AGt為墊片理論受壓面積，mm2。

Qmax值可參考 EN 13445.3—2014第 G.9條進(jìn)行選取。如果墊片制造廠(chǎng)家能夠提供有效的墊片參數(shù)，則應(yīng)采用墊片實(shí)際數(shù)據(jù)。

常用金屬墊片在常溫下的最大抗壓強(qiáng)度具體數(shù)值見(jiàn)表1[6]。

表1 常用金屬墊片常溫下最大抗壓強(qiáng)度 MPa

1.1.1 確定墊片反作用力

預(yù)緊狀態(tài)下墊片受到的反作用力Fg為所有螺栓的預(yù)緊力Wp，即Fg=Wp。對(duì)于焊接密封墊片法蘭而言，螺栓預(yù)緊力僅需抵消內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向應(yīng)力[8]，即：

式中，Wp為螺栓預(yù)緊力，N；p為無(wú)墊片法蘭計(jì)算壓力，MPa。

為保證焊接密封墊片密封焊縫在實(shí)際使用過(guò)程中不承受拉力，需要提供1個(gè)比內(nèi)壓軸向力略大的力[9]。按照HG/T 20582—2011《鋼制化工容器強(qiáng)度計(jì)算規(guī)定》[10]第 11.3.1條的規(guī)定，取Fg=Wp=1.1πDL2p/4。

1.1.2 確定墊片理論受壓面積

根據(jù) EN 13445.3—2014第 G5.3.1條的規(guī)定，在滿(mǎn)足墊片受到較大的力且法蘭偏準(zhǔn)角很小的情況下，墊片理論受壓面積AGt可以按照以下公式計(jì)算：

式中，dGt為墊片理論中心圓直徑，bGt為墊片理論寬度，mm。

預(yù)緊工況下墊片僅承受了較大的預(yù)緊力，法蘭只受到螺栓壓緊力，偏準(zhǔn)角可以忽略不計(jì)。故有以下公式：

1.2 焊唇式密封墊片應(yīng)力計(jì)算公式

焊唇式密封墊片尺寸見(jiàn)圖1c， 其 d1=dG1、d2=dG2+10 mm、d3=DL，綜合前述分析可得預(yù)緊狀態(tài)下焊唇式密封墊片應(yīng)力計(jì)算公式為：

2 DIN 2695—2019中焊唇式密封墊片受力分析

國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中涉及焊唇式密封墊片的內(nèi)容較少，以DIN 2695—2019中的墊片尺寸較為完整。DIN 2695—2019中Class系列及PN系列部分焊唇式密封墊片規(guī)格分別見(jiàn)表2和表3。

表2 DIN 2695—2019中Class系列部分焊唇式密封墊片尺寸 mm

表3 DIN 2695—2019中PN系列部分焊唇式密封墊片尺寸 mm

文中以DIN 2695—2019第4.1.3條焊唇式密封墊片為例，按表 2、表 3 選取 d1、d2、d3，計(jì)算壓力取公稱(chēng)壓力，計(jì)算得出了DIN 2695—2019中Class系列、PN系列部分焊唇式密封墊片預(yù)緊狀態(tài)下的應(yīng)力σg，分別見(jiàn)表4和表5。

表 4 DIN 2695—2019中Class系列焊唇式密封墊片應(yīng)力σg MPa

3 工程應(yīng)用中墊片合格指標(biāo)

3.1 增加抗壓強(qiáng)度安全系數(shù)

從表4、表5可以看出，墊片應(yīng)力隨著法蘭公稱(chēng)直徑、公稱(chēng)壓力的增大而增大，但金屬墊片應(yīng)力控制在一定范圍內(nèi)，且均遠(yuǎn)小于墊片材料的最大抗壓強(qiáng)度Qmax，僅使用式（1）來(lái)校核墊片難以符合工程實(shí)際使用現(xiàn)狀。

表5 DIN 2695—2019中PN系列焊唇式密封墊片應(yīng)力σg MPa

設(shè)備在開(kāi)停車(chē)時(shí)升降溫、升降壓速度過(guò)快，且開(kāi)停車(chē)頻繁，在法蘭、螺栓及殼體間的溫差應(yīng)力作用下，墊片受到應(yīng)力的反復(fù)作用，最終在薄弱處開(kāi)裂泄漏[11]。為避免密封失效帶來(lái)的泄漏危害，綜合考慮無(wú)墊片法蘭的建造安全性和經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)盡量控制墊片寬度，同時(shí)保證墊片應(yīng)力在合理可靠的范圍內(nèi)。結(jié)合表4、表5中墊片應(yīng)力計(jì)算情況，參考 ASME BPVC.Ⅱ.D.M—2019《ASME Boiler&Pressure Vessel Code Section Ⅱ：Materials Part D：Properties》[12]以及 TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》[13]中對(duì)抗拉強(qiáng)度安全系數(shù)的取值，對(duì)墊片抗壓強(qiáng)度增加了安全系數(shù) 2.4，即：

常用焊唇式密封墊片的材料一般為不銹鋼，表4、表5中數(shù)據(jù)均滿(mǎn)足σg≤Qmax/2.4=229 MPa。按式（6）迭代計(jì)算了不同公稱(chēng)直徑、不同公稱(chēng)壓力下設(shè)備法蘭用焊唇式密封墊片參考尺寸，見(jiàn)表6。

表6 不同公稱(chēng)直徑及壓力下設(shè)備法蘭用焊唇式密封墊片尺寸

3.2 抗壓強(qiáng)度安全系數(shù)驗(yàn)證

3.2.1 實(shí)例1

某公司渣油加氫裝置中氫氣/反應(yīng)氣相熱交換器殼程側(cè)DN1 200 mm設(shè)備法蘭采用圓形空腔式焊接密封墊片，墊片材料為不銹鋼鍛件，p=20 MPa、dG1=1 200 mm、dG2=1 300 mm、DL=1 355 mm，按式（6）計(jì)算得出 σg=161.6 MPa＜229 MPa。

該熱交換器管程側(cè)設(shè)備法蘭采用隔膜密封盤(pán)式焊接密封墊片，墊片材料為不銹鋼，p=22.69 MPa、dG1=1 200 mm、dG2=1 300 mm、DL=1 300 mm，按式（6）計(jì)算得出 σg=168.7 MPa＜229 MPa。

3.2.2 實(shí)例2

某公司渣油加氫裝置中進(jìn)料/反應(yīng)氣相熱交換器殼程側(cè)DN1 500 mm設(shè)備法蘭采用圓形空腔式焊接密封墊片，墊片材料為不銹鋼鍛件，p=20.77 MPa、dG1=1 500 mm、dG2=1 600 mm、dL=1 655 mm，按式（6）計(jì)算得出 σg=201.8 MPa＜229 MPa。

該熱交換器管程側(cè)設(shè)備法蘭采用隔膜密封盤(pán)式焊接密封墊片，墊片材料為不銹鋼，其p=27.02 MPa、dG1=1 500 mm、dG2=DL=1 600 mm， 按式 （6） 計(jì)算得出σg=245.8 MPa＞229 MPa。

3.2.3 實(shí)例3

某公司柴油加氫裝置中反應(yīng)產(chǎn)物/混氫油熱交換器殼程側(cè)DN1300 mm設(shè)備法蘭采用焊唇式焊接墊片，墊片材料為不銹鋼鍛件，其p=14.4 MPa、d1=1 320 mm、d2=1 400 mm、d3=1 430 mm， 按式（6）計(jì)算得出 σg=159 MPa＜229 MPa。

該熱交換器管程側(cè)設(shè)備法蘭采用隔膜密封盤(pán)式焊接密封墊片，墊片材料為不銹鋼，其p=12.6 MPa、dG1=1 350 mm、dG2=1 400 mm、DL=1 400 mm，按式（6）計(jì)算得出 σg=197.6 MPa＜229 MPa。

3.2.4 驗(yàn)證結(jié)果

在實(shí)例1～實(shí)例3的6組墊片應(yīng)力計(jì)算結(jié)果中，除1組墊片計(jì)算應(yīng)力超過(guò)Qmax/2.4外，其余5組墊片計(jì)算應(yīng)力均低于Qmax/2.4，且6組墊片應(yīng)力均接近于Qmax/2.4。從這幾組工程實(shí)際使用焊接密封墊片校核結(jié)果看，文中所確定的抗壓強(qiáng)度安全系數(shù)較合理，能夠滿(mǎn)足實(shí)際工程使用要求。

4 設(shè)備法蘭用焊唇式密封墊片尺寸

根據(jù)式（6），迭代計(jì)算得出了不同公稱(chēng)直徑、不同公稱(chēng)壓力下設(shè)備法蘭用焊唇式密封墊片參考尺寸(表6)。墊片尺寸d3是在d2的基礎(chǔ)上相應(yīng)加大30 mm，可根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行略微調(diào)整。

對(duì)于圓形空腔式、卵形空腔式以及隔膜密封盤(pán)式墊片，墊片寬度尺寸可參考表6，并按文中介紹的計(jì)算方法重新校核計(jì)算，其余尺寸則應(yīng)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或者按照文獻(xiàn)[14]重新進(jìn)行應(yīng)力分析設(shè)計(jì)。

5 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)行國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)中缺少對(duì)焊接金屬密封墊片應(yīng)力校核的規(guī)范性說(shuō)明，文中引用EN 13445.3—2014中對(duì)墊片應(yīng)力的校核方法，計(jì)算了國(guó)內(nèi)外常用標(biāo)準(zhǔn)DIN 2695—2019中部分焊接金屬密封墊片的受力，確定了墊片應(yīng)力校核標(biāo)準(zhǔn)。并以此為基準(zhǔn)，通過(guò)迭代計(jì)算給出了設(shè)備法蘭用焊唇式密封墊片的規(guī)格尺寸，供壓力容器設(shè)計(jì)人員選用墊片時(shí)參考。焊接密封墊片使用環(huán)境較為苛刻，且壓力容器造價(jià)較為昂貴，設(shè)計(jì)者應(yīng)綜合考慮，慎重確定墊片尺寸。