法蘭泄漏校核方法的探討

左勇，宋悅，郝翰，孫默思

法蘭泄漏校核方法的探討

左勇，宋悅，郝翰，孫默思

（中國石油天然氣管道工程有限公司， 河北 廊坊 065000）

分析了法蘭泄漏的原因與影響因素，介紹和對比了5種常用的法蘭泄漏校核方法，提出了一種全面考慮管道外力、螺栓預緊力和墊片密封性能的法蘭泄漏校核新方法，并給出了計算實例說明方法應用的關鍵點，同時通過工程實踐應用證明該方法科學合理簡單易用，并且在進行法蘭泄漏校核的同時提出對法蘭安裝預緊力的要求，可用于指導法蘭現場施工。

法蘭；泄漏校核； ASME PCC-1；螺栓預緊力；墊片密封壓力

在工程運行過程中，若因管道法蘭泄漏導致管道內介質外泄，不僅會產生流體或能量損耗，而且會影響正常的生產。特別是石油化工領域，管道內為易燃易爆和毒性等危險性介質，不僅會污染環境，更可能因介質泄漏引發現場爆炸，造成重大人員傷亡和巨大經濟損失[1]。因此，為防止法蘭在運行過程中出現泄漏，有必要對法蘭泄漏密封原理進行分析，在工程設計階段進行法蘭泄漏校核，在工程建設階段進行正確的預緊安裝[2]，在工程運行階段進行正確的維護保養，從而確保法蘭全生命周期的安全可靠。對于標準法蘭，設計階段主要工作是校核法蘭是否存在泄漏風險，對螺栓預緊力提出要求，但目前尚未有一套行之有效的校核方法將螺栓預緊力、法蘭承受外力和法蘭泄漏進行關聯。

本文將針對這兩個問題以及3個要素進行研究，提供一種新的方法來進行法蘭泄漏校核，以及計算與之匹配的法蘭螺栓預緊力，供安裝階段使用。

1 法蘭泄漏與密封

法蘭連接是一個連接系統，它是由法蘭對、螺栓、螺母和墊片組成的[3]。法蘭密封是通過擰緊螺栓，增加法蘭和墊片之間的壓緊力，使泄漏通道減小來達到密封的，當壓力介質通過密封口的阻力大于法蘭密封口內外的壓差時，介質被封住，就達到了密封的目的[4]。

1.1 法蘭泄漏形式

法蘭的泄漏通常分為兩種：滲透泄漏和界面泄漏。滲透泄漏：當法蘭之間的墊片為石棉、石墨、PTFE等，由于其組織疏松，致密性差，纖維與纖維之間有微型縫隙，在一定的壓力下，介質會滲透到低壓側。界面泄漏：當密封墊片壓緊力不夠、管道變形以及振動等造成密封墊片與法蘭端面之間密合不嚴而發生泄漏，此外法蘭結合后螺栓變形，墊片產生塑性變形等也會造成墊片與法蘭端面之間密合不嚴而發生泄漏。由于滲透泄漏可以通過選擇適合介質、壓力的墊片予以解決，并且界面泄漏對閥門設備產生的危害更大，因此日常所研究的法蘭泄漏通常指界面泄漏，界面泄漏的泄漏量主要與間隙大小、流體黏度、工作壓力有關[5]。

1.2 影響因素

墊片性能：墊片的彈性變形能力、塑性變形能力和抗壓能力是墊片的關鍵參數。彈性變形能力可以更好地補償法蘭端面的分離，適應操作壓力和操作溫度的波動；塑性變形能力能較好地填充端面上的微觀凹凸不平，從而達到法蘭之間的初始密封；墊片抗壓能力能保證墊片在承受較大的壓緊力作用時不至被壓潰損壞，保持良好的性能。

螺栓預緊力：螺栓預緊力必須能夠使墊片壓緊并實現初始密封，同時還要保證在操作條件下的保有相當的壓緊力保證法蘭密封性能。通常，在墊片不被壓潰，法蘭與螺栓不超載荷的條件下，預緊力越大越好。

操作條件：操作條件包括操作溫度、操作壓力、法蘭外力（力矩）和介質。其中溫度對密封性能的影響最大，高溫會使某些墊片變質而失去彈性，螺栓會發生蠕變和松弛，將引起墊片壓緊力下降，并且高溫還會增加介質的滲透性和腐蝕性；操作壓力越大，泄漏量就越大，并且會使法蘭面有分離傾向，影響墊片的壓緊力。法蘭所承受的拉力和力矩會引起墊片壓緊力下降，且螺栓拉力上升。介質的腐蝕和黏度會影響墊片選型。

法蘭錯位及剛度：法蘭加工誤差及安裝過程中可能出現的不同心、不平行以及剛度不足產生過大的翹曲變形，使墊片的受力不均勻，都會使法蘭產生泄漏。

法蘭密封面：法蘭密封面必須加工精密，法蘭密封面的形式、尺寸和表面粗糙度，必須和選用的墊片相匹配，才能達到預期的密封效果。

綜合以上幾點，在法蘭泄漏校核中至少需要考慮：螺栓預緊力滿足安裝時的初始墊片壓緊力；滿足操作時的操作墊片壓緊力；不對墊片和法蘭造成損傷；不超過螺栓材料的允許應力。

2 目前常用的法蘭泄漏校核方法

目前常用的法蘭泄漏校核方法主要有：Taylor-Waters法、EN1591法、NC-3658.3法、Kellogg Equivalent Pressure法和ASME PCC-1法[6]。上述校核方法考慮了不同的作用機理，得到的結論各不相同，給工程設計階段的法蘭校核帶來了較大爭議與不便。各法蘭泄漏校核方法優缺點如表1所示。

表1 各法蘭泄漏校核方法優缺點

2.1 Taylor-Waters法

此方法是以設計壓力、墊片系數、墊片預緊密封比壓、有效密封寬度等為條件，通過分別計算預緊狀態和操作狀態下墊片所需的壓緊力，從而算出所需的螺栓載荷和面積進而以螺栓載荷校核法蘭本體強度的設計方法[7]。此方法對于螺栓按照許用應力進行校核和預緊。

2.2 EN1591法

此方法考慮了整個法蘭-螺栓-墊片系統的特性，對壓力、溫度、外力（矩）等載荷作用下，對法蘭及其連接件進行完整性和密封性計算，保證了結構的完整性并控制連接接頭的泄漏，允許將設計計算基于任何給定的泄漏等級，更為全面地反映了法蘭接頭的機械性能和密封性能，設計計算也更加符合實際行為[8]。但此方法計算過程過于繁雜，涉及公式上百個，需要的輸入數據過多且部分數據不易獲得，可以用于關鍵部位法蘭的設計與校核，但對于工程設計階段成百上千的法蘭，計算量過大使其很難應于工程設計階段的法蘭泄漏校核[9]。

2.3 NC-3658.3法

此方法是將法蘭上承受的力和力矩等效作用到螺栓上，然后與法蘭上的屈服強度進行比較。計算公式為：

2500/21.6b≤y。 （1）

式中：0—法蘭彎矩；

b—螺栓截面總面積；

—螺栓中心圓直徑；

y—設計溫度下法蘭的屈服強度。

此方法較為激進，幾乎絕大多數工況法蘭校核都會滿足，即使法蘭泄漏校核滿足，泄漏風險也較大。

2.4 Kellogg Equivalent Pressure法

此方法認為法蘭上承受的力和力矩等效作用到墊片，與法蘭操作壓力求和得出當量壓力，與法蘭的最大許用工作壓力比較。計算公式為：

e=+4/πG2+16/πG3。 （2）

式中：e—當量壓力；

—作用在法蘭上的軸向力；

—作用在法蘭上的彎矩；

G—墊片有效工作直徑；

—法蘭操作壓力[10]。

此方法具有一定程度的保守，在操作壓力較為接近法蘭最大許用工作壓力下幾乎無法校核，特別是對盲板法蘭，必然承受較大的盲板力，與操作壓力疊加后的當量壓力會大大超過法蘭最大許用工作壓力，因此往往需要在設計階段提高法蘭等級來滿足校核要求[11]，造成工程建設成本增加。

2.5 ASME PCC-1法

此方法是為確定螺栓安裝應力，也可用于法蘭泄漏校核，根據螺栓材料確定螺栓預緊力，在該預緊力下，法蘭墊片在安裝、操作狀態都具有足夠的壓力保持密封，且不被壓潰，綜合考慮了螺栓、法蘭、墊片的密封性，與現場法蘭密封表現較一致[12]。主要校核公式為：

sel=max(min,sel) ； （3）

sel= min(max,sel) ； （4）

sel= min(max,sel) ； （5）

sel≥gmin-S[g/(Abnb)]； （6）

sel≥[gmin-Og+(π/4)maxID2]/(gbb)； （7）

sel≤gmax[g/(bb)]； （8）

sel≤max(gmax/max) 。 （9）

式中：sel—螺栓預緊應力，MPa，與螺栓材質有關；

min—螺栓最小預緊應力，MPa，通常取140～245 MPa；

max—螺栓最大允許應力，MPa，與螺栓材質有關，建議通常為0.7倍螺栓屈服強度；

max—考慮法蘭不損壞下的螺栓最大允許應力，MPa，由標準中附錄C查得；

gmin-S—安裝狀態下的墊片最小密封壓力，MPa，由供貨商提供，或查詢相關標準；

gmin-O—操作狀態下的墊片最小密封壓力，MPa，由供貨商提供，或查詢相關標準；

gmax—墊片最大允許壓力，MPa，由供貨商提供或查詢相關標準；

g—墊片有效面積，mm2；

b—螺栓根部面積，mm2；

b—法蘭螺栓個數；

ID—墊片的有效密封內徑，mm；

OD—墊片的有效密封外徑，mm；

g—墊片松弛系數，由供貨商提供，如無可取0.7；

max—法蘭在最大應力下的轉角，由標準中附錄D查得；

max—法蘭最大允許轉角，通常取1；

max—最大設計壓力 ，MPa。

3 基于ASME PCC-1的法蘭泄漏校核新方法

3.1 方法介紹

從上面的法蘭泄漏校核方法可以看出，ASME PCC-1法從準確性、可操作性都是目前進行法蘭泄漏校核較為合適的方法，且該方法可以在校核法蘭泄漏的同時確定螺栓預緊力，將工程設計計算和施工緊密連接，起到設計對施工的指導作用。但原方法未考慮管道對法蘭的作用力（矩）對法蘭泄漏產生的影響，法蘭受到連接管道的拉力或彎矩時，將導致墊片壓緊力不足，墊片密封壓力下降，發生泄漏，同時還會增加螺栓拉應力，導致螺栓應力過大，影響法蘭校核的精度。因此本文在原方法基礎上進行了改進，采用綜合了法蘭軸向力和彎矩的當量壓力e代替最大設計壓力max進行法蘭在操作態的墊片密封壓力校核，同時增加螺栓在當量壓力作用下拉應力校核，用以保證螺栓在操作狀態下的安全，改進后的法蘭泄漏校核步驟如下：

sel≥min，確認螺栓預緊應力大于螺栓最小建議預緊應力；

sel≤max，確認螺栓預緊應力小于螺栓最大允許應力；

sel≤max，確認螺栓預緊應力小于法蘭不損壞的螺栓最大應力；

sel≥min-S[g/(bb)]，確認螺栓預緊應力大于安裝態墊片最小密封壓力；

sel≥[gmin-Og+(π/4)maxID2]/(gAbb)，確認螺栓預緊應力大于操作態墊片最小密封壓力；

sel≤gmax[g/(bb)]，確認螺栓預緊應力小于墊片壓潰密封壓力；

sel≤max(max/max) ，確認螺栓預緊應力小于法蘭扭轉限制；

e≤4×(gbbsel-min-Og)/πID2，確定螺栓預緊應力大于操作態墊片最小密封壓力下的法蘭允許當量壓力；

sel≤y-πeID2/4bb，確認操作態螺栓拉應力小于螺栓屈服強度。

3.2 計算實例

以設計壓力為9.8 MPa、設計溫度65 ℃、法蘭標準為ASME B16.5、規格Class 600 12"、材質為A105的凸面對焊法蘭、墊片選擇帶內外環的金屬石墨纏繞墊片、螺栓為ASTM B193 B7為例，進行校核分析。

首先，確定計算所需的法蘭、螺栓、墊片參數如表2所示。接著，按步驟確認螺栓預緊力及校核法蘭泄漏：

1）初步確定螺栓預緊力sel=350 MPa[13]；

2）確認螺栓預緊應力大于螺栓最小建議預緊應力sel=max(min,sel) =350 MPa；

3）確認螺栓預緊應力小于螺栓最大允許應力sel= min(max,sel) =350 MPa；

4）確認螺栓預緊應力小于法蘭不損壞的螺栓最大應力sel= min(max,sel) =350 MPa；

5）確認螺栓預緊應力大于安裝態墊片最小密封壓力sel≥min-S[g/(bb)]=174.7 MPa；

6）確認螺栓預緊應力小于墊片壓潰密封壓力sel≤max[g/(bb)]=679.3 MPa；

7）確認螺栓預緊應力小于法蘭扭轉限制sel≤max(max/max) =1448.6 MPa；

8）確定法蘭允許當量壓力e≤4(gbbsel-min-Og)/πID2=22.5 MPa；

9）確認操作態螺栓拉應力小于螺栓屈服強度sel≤y-πeID2/4bb=562 MPa；

10）校核法蘭操作狀態當量壓力是否小于法蘭允許當量壓力，若滿足則校核完成，若不滿足則更改管道布置。

表2 法蘭、螺栓、墊片參數

3.3 應用方法

此方法進行法蘭泄漏校核時，應選取適當的螺栓預緊力，雖然較高的螺栓預緊力能提高墊片壓力，進而提高法蘭的密封效果，但在大口徑高壓力法蘭中，會導致墊片壓力過高而易被壓潰[14]。因此建議小口徑低壓力法蘭，采用較高的螺栓預緊力，大口徑高壓力法蘭采用較低的螺栓預緊力。對常用的系列法蘭（如ASME B16.5標準法蘭）、墊片與螺栓，建議計算形成允許當量壓力和對應的螺栓預緊力表格，在工程設計中，再將應力計算軟件計算出的法蘭當量壓力和允許當量壓力相比較，即可完成法蘭泄漏校核，同時選擇與之對應的螺栓預緊力。

在部分工程中對此方法進行了法蘭泄漏校核與法蘭安裝的應用，發現與工程實踐吻合較好，在法蘭及法蘭盲板的試壓與運行階段均未出現泄漏現象，由此證明該方法是可靠的。

4 結束語

法蘭連接在壓力容器與管道中應用廣泛，如何確保法蘭接頭的密封性能以及正確安裝對壓力容器與管道設置的安全運行具有重要意義。目前常用的法蘭泄漏校核方法雖多，但都存在一定的局限性，校核結論各不相同，給工程設計階段的法蘭泄漏校核帶來了較大爭議與不便。本文采用ASME PCC-1法為基礎并考慮管道對法蘭的作用力（矩）導致墊片密封壓力和對螺栓拉應力的變化影響，能夠更好地保證法蘭在操作狀態下密封以及螺栓安全，同時對常用法蘭、墊片與螺栓計算形成允許當量壓力和與之對應的螺栓預緊力，用于設計階段的法蘭校核以及施工階段的法蘭安裝，在工程實際中取得了良好的應用效果，具有較強的準確性和可操作性。

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Discussion of Flange Leakage Checking

,,,

（China Petroleum Pipeline Engineering Corporation, Lanfang Hebei 065000, China）

The reasons and influences factor of flange leakage were analyzed. Five commonly used checking methods of flange leakage were introduced and compared. A new method for flange leakage check taking piping force, bolt stress and gasket seal performance into account was proposed. And the key points of this method was introduced by showing a calculation example. The engineering practice has approved that the new method is simple, reasonable and easy to use. At the same time, the requirements of flange preload were put forward while checking flange leakage, which could be used to guide the site construction of flange.

Flange; Leakage check; ASME PCC-1; Bolt stress; Gasket seal stress

TQ055.81

A

1004-0935（2022）02-0212-05

2021-05-20

左勇（1988-），男，安徽省六安市人，高級工程師，2007年畢業于天津大學材料成型及控制工程專業，研究方向：油氣儲運與管道應力分析。