法兰泄漏校核方法的探讨-辽宁化工2022年02期

摘      要： 分析了法兰泄漏的原因与影响因素，介绍和对比了5种常用的法兰泄漏校核方法，提出了一种全面考虑管道外力、螺栓预紧力和垫片密封性能的法兰泄漏校核新方法，并给出了计算实例说明方法应用的关键点，同时通过工程实践应用证明该方法科学合理简单易用，并且在进行法兰泄漏校核的同时提出对法兰安装预紧力的要求，可用于指导法兰现场施工。

关  键  词：法兰;泄漏校核; ASME PCC-1;螺栓预紧力;垫片密封压力

中图分类号：TQ055.81     文献标识码： A      文章编号： 1004-0935（2022）02-0212-05

在工程运行过程中，若因管道法兰泄漏导致管道内介质外泄，不仅会产生流体或能量损耗，而且会影响正常的生产。特别是石油化工领域，管道内为易燃易爆和毒性等危险性介质，不仅会污染环境，更可能因介质泄漏引发现场爆炸，造成重大人员伤亡和巨大经济损  失[1]。因此，为防止法兰在运行过程中出现泄漏，有必要对法兰泄漏密封原理进行分析，在工程设计阶段进行法兰泄漏校核，在工程建设阶段进行正确的预紧安装[2]，在工程运行阶段进行正确的维护保养，从而确保法兰全生命周期的安全可靠。对于标准法兰，设计阶段主要工作是校核法兰是否存在泄漏风险，对螺栓预紧力提出要求，但目前尚未有一套行之有效的校核方法将螺栓预紧力、法兰承受外力和法兰泄漏进行关联。

本文将针对这两个问题以及3个要素进行研究，提供一种新的方法来进行法兰泄漏校核，以及计算与之匹配的法兰螺栓预紧力，供安装阶段使用。

1  法兰泄漏与密封

法兰连接是一个连接系统，它是由法兰对、螺栓、螺母和垫片组成的[3]。法兰密封是通过拧紧螺栓，增加法兰和垫片之间的压紧力，使泄漏通道减小来达到密封的，当压力介质通过密封口的阻力大于法兰密封口内外的压差时，介质被封住，就达到了密封的目的[4]。

1.1  法兰泄漏形式

法兰的泄漏通常分为两种：渗透泄漏和界面泄漏。渗透泄漏：当法兰之间的垫片为石棉、石墨、PTFE等，由于其组织疏松，致密性差，纤维与纤维之间有微型缝隙，在一定的压力下，介质会渗透到低压侧。界面泄漏：当密封垫片压紧力不够、管道变形以及振动等造成密封垫片与法兰端面之间密合不严而发生泄漏，此外法兰结合后螺栓变形，垫片产生塑性变形等也会造成垫片与法兰端面之间密合不严而发生泄漏。由于渗透泄漏可以通过选择适合介质、压力的垫片予以解决，并且界面泄漏对阀门设备产生的危害更大，因此日常所研究的法兰泄漏通常指界面泄漏，界面泄漏的泄漏量主要与间隙大小、流体黏度、工作压力有关[5]。

1.2  影响因素

垫片性能：垫片的弹性变形能力、塑性变形能力和抗压能力是垫片的关键参数。弹性变形能力可以更好地补偿法兰端面的分离，适应操作压力和操作温度的波动;塑性变形能力能较好地填充端面上的微观凹凸不平，从而达到法兰之间的初始密封;垫片抗压能力能保证垫片在承受较大的压紧力作用时不至被压溃损坏，保持良好的性能。

螺栓预紧力：螺栓预紧力必须能够使垫片压紧并实现初始密封，同时还要保证在操作条件下的保有相当的压紧力保证法兰密封性能。通常，在垫片不被压溃，法兰与螺栓不超载荷的条件下，预紧力越大越好。

操作条件：操作条件包括操作温度、操作压力、法兰外力（力矩）和介质。其中温度对密封性能的影响最大，高温会使某些垫片变质而失去弹性，螺栓会发生蠕变和松弛，将引起垫片压紧力下降，并且高温还会增加介质的渗透性和腐蚀性;操作压力越大，泄漏量就越大，并且会使法兰面有分离倾向，影响垫片的压紧力。法兰所承受的拉力和力矩会引起垫片压紧力下降，且螺栓拉力上升。介质的腐蚀和黏度会影响垫片选型。

法兰错位及刚度：法兰加工误差及安装过程中可能出现的不同心、不平行以及刚度不足产生过大的翘曲变形，使垫片的受力不均匀，都会使法兰产生泄漏。

法兰密封面：法兰密封面必须加工精密，法兰密封面的形式、尺寸和表面粗糙度，必须和选用的垫片相匹配，才能达到预期的密封效果。

综合以上几点，在法兰泄漏校核中至少需要考虑：螺栓预紧力满足安装时的初始垫片压紧力;满足操作时的操作垫片压紧力;不对垫片和法兰造成损伤;不超过螺栓材料的允许应力。

2  目前常用的法兰泄漏校核方法

目前常用的法兰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]。上述校核方法考虑了不同的作用机理，得到的结论各不相同，给工程设计阶段的法兰校核带来了较大争议与不便。各法兰泄漏校核方法优缺点如表1所示。

2.1  Taylor-Waters法

此方法是以设计压力p、垫片系数m、垫片预紧密封比压y、有效密封宽度b 等为条件，通过分别计算预紧状态和操作状态下垫片所需的压紧力，从而算出所需的螺栓载荷和面积进而以螺栓载荷校核法兰本体强度的设计方法[7]。此方法对于螺栓按照许用应力进行校核和预紧。

2.2  EN1591法

此方法考虑了整个法兰-螺栓-垫片系统的特性，对压力、温度、外力（矩）等载荷作用下，对法兰及其连接件进行完整性和密封性计算，保证了结构的完整性并控制连接接头的泄漏，允许将设计计算基于任何给定的泄漏等级，更为全面地反映了法兰接头的机械性能和密封性能，设计计算也更加符合实际行为[8]。但此方法计算过程过于繁杂，涉及公式上百个，需要的输入数据过多且部分数据不易获得，可以用于关键部位法兰的设计与校核，但对于工程设计阶段成百上千的法兰，计算量过大使其很难应于工程设计阶段的法兰泄漏校核[9]。

2.3  NC-3658.3法

此方法是将法兰上承受的力和力矩等效作用到螺栓上，然后与法兰上的屈服强度进行比较。计算公式为：

250M0/21.6CAb≤Sy。        （1）

式中：M0—法兰弯矩;

Ab—螺栓截面总面积;

C—螺栓中心圆直径;

Sy—设计温度下法兰的屈服强度。

此方法较为激进，几乎绝大多数工况法兰校核都会满足，即使法兰泄漏校核满足，泄漏风险也较大。

2.4  Kellogg Equivalent Pressure法

此方法认为法兰上承受的力和力矩等效作用到垫片，与法兰操作压力求和得出当量压力，与法兰的最大许用工作压力比较。计算公式为：

pe=p+4F/πDG2+16M/πDG3。      （2）

式中：pe—当量压力;

F—作用在法兰上的轴向力;

M—作用在法兰上的弯矩;

DG—垫片有效工作直径;

p—法兰操作压力[10]。

此方法具有一定程度的保守，在操作压力较为接近法兰最大许用工作压力下几乎无法校核，特别是对盲板法兰，必然承受较大的盲板力，与操作压力叠加后的当量压力会大大超过法兰最大许用工作压力，因此往往需要在设计阶段提高法兰等级来满足校核要求[11]，造成工程建设成本增加。

2.5  ASME PCC-1法

此方法是为确定螺栓安装应力，也可用于法兰泄漏校核，根据螺栓材料确定螺栓预紧力，在该预紧力下，法兰垫片在安装、操作状态都具有足够的压力保持密封，且不被压溃，综合考虑了螺栓、法兰、垫片的密封性，与现场法兰密封表现较一致[12]。主要校核公式为：

Sbsel=max（Sbmin，Sbsel） ;         （3）

Sbsel= min（Sbmax，Sbsel） ;         （4）

Sbsel= min（Sfmax，Sbsel） ;         （5）

Sbsel≥Sgmin-S[Ag/（Abnb）] ;        （6）

Sbsel≥[Sgmin-OAg+（π/4）pmaxGID2]/（ΦgAbnb）;   （7）

Sbsel≤Sgmax[Ag/（Abnb）] ;         （8）

Sbsel≤Sfmax（θgmax/θfmax） 。         （9）

式中：Sbsel—螺栓预紧应力，MPa，与螺栓材质有关;

Sbmin—螺栓最小预紧应力，MPa，通常取140～245 MPa;

Sbmax—螺栓最大允许应力，MPa，与螺栓材质有关，建议通常为

0.7倍螺栓屈服强度;

Sfmax—考虑法兰不损坏下的螺栓最大允许应力，MPa，由标准中

附录C查得;

Sgmin-S—安装状态下的垫片最小密封压力，MPa，由供货商提供，

或查询相关标准;

Sgmin-O—操作状态下的垫片最小密封压力，MPa，由供货商提供，

或查询相关标准;

Sgmax—垫片最大允许c2DSoPY1secOFR00oyt4lKlM9yH0VZKXyqJ8l8eXi/k=压力，MPa，由供货商提供或查询相关标准;

Ag—垫片有效面积，mm2;

Ab—螺栓根部面积，mm2;

nb—法兰螺栓个数;

GID—垫片的有效密封内径，mm;

GOD—垫片的有效密封外径，mm;

Φg—垫片松弛系数，由供货商提供，如无可取0.7;

θfmax—法兰在最大应力下的转角，由标准中附录D查得;

θgmax—法兰最大允许转角，通常取1;

pmax—最大设计压力 ，MPa。

3  基于ASME PCC-1的法兰泄漏校核新方法

3.1  方法介绍

从上面的法兰泄漏校核方法可以看出，ASME PCC-1法从准确性、可操作性都是目前进行法兰泄漏校核较为合适的方法，且该方法可以在校核法兰泄漏的同时确定螺栓预紧力，将工程设计计算和施工紧密连接，起到设计对施工的指导作用。但原方法未考虑管道对法兰的作用力（矩）对法兰泄漏产生的影响，法兰受到连接管道的拉力或弯矩时，将导致垫片压紧力不足，垫片密封压力下降，发生泄漏，同时还会增加螺栓拉应力，导致螺栓应力过大，影响法兰校核的精度。因此本文在原方法基础上进行了改进，采用综合了法兰轴向力和弯矩的当量压力pe代替最大设计压力pmax进行法兰在操作态的垫片密封压力校核，同时增加螺栓在当量压力作用下拉应力校核，用以保证螺栓在操作状态下的安全，改进后的法兰泄漏校核步骤如下：

Sbsel≥Sbmin，确认螺栓预紧应力大于螺栓最小建议预紧应力;

Sbsel≤Sbmax，确认螺栓预紧应力小于螺栓最大允许应力;

Sbsel≤Sfmax，确认螺栓预紧应力小于法兰不损坏的螺栓最大应力;

Sbsel≥Sgmin-S[Ag/（Abnb）]，确认螺栓预紧应力大于安装态垫片最小密封压力;

Sbsel≥[Sgmin-OAg+（π/4）pmaxGID2]/（ΦgAbnb），确认螺栓预紧应力大于操作态垫片最小密封压力;

Sbsel≤Sgmax[Ag/（Abnb）]，确认螺栓预紧应力小于垫片压溃密封压力;

Sbsel≤Sfmax（θgmax/θfmax） ，确认螺栓预紧应力小于法兰扭转限制;

pe≤4×（ΦgAbnbSbsel-Sgmin-OAg）/πGID2，确定螺栓预紧应力大于操作态垫片最小密封压力下的法兰允许当量压力;

Sbsel≤Sby-πpeGID2/4Abnb，确认操作态螺栓拉应力小于螺栓屈服强度。

3.2  计算实例

以设计压力为9.8 MPa、设计温度65 ℃、法兰标准为ASME B16.5、规格Class 600 12"、材质为A105的凸面对焊法兰、垫片选择带内外环的金属石墨缠绕垫片、螺栓为ASTM B193 B7为例，进行校核分析。

首先，确定计算所需的法兰、螺栓、垫片参数如表2所示。接着，按步骤确认螺栓预紧力及校核法兰泄漏：

1）初步确定螺栓预紧力Sbsel=350 MPa[13];

2）确认螺栓预紧应力大于螺栓最小建议预紧应力Sbsel=max（Sbmin，Sbsel） =350 MPa;

3）确认螺栓预紧应力小于螺栓最大允许应力Sbsel= min（Sbmax，Sbsel） =350 MPa;

4）确认螺栓预紧应力小于法兰不损坏的螺栓最大应力Sbsel= min（Sfmax，Sbsel） =350 MPa;

5）确认螺栓预紧应力大于安装态垫片最小密封压力Sbsel≥Sgmin-S [Ag/（Abnb）]=174.7 MPa;

6）确认螺栓预紧应力小于垫片压溃密封压力Sbsel≤Sgmax[Ag/（Abnb）]=679.ik0rJn788tqOigHoNie7jyXW8knSNT7GA1HvEkyG2kY=3 MPa;

7）确认螺栓预紧应力小于法兰扭转限制   Sbsel≤Sfmax（θgmax/θfmax） =1448.6 MPa;

8）确定法兰允许当量压力pe≤4（Φg AbnbSbsel -Sgmin-OAg）/πGID2=22.5 MPa;

9）确认操作态螺栓拉应力小于螺栓屈服强度Sbsel≤Sby-πpeGID2/4Abnb=562 MPa;

10）校核法兰操作状态当量压力是否小于法兰允许当量压力，若满足则校核完成，若不满足则更改管道布置。

3.3  应用方法

此方法进行法兰泄漏校核时，应选取适当的螺栓预紧力，虽然较高的螺栓预紧力能提高垫片压力，进而提高法兰的密封效果，但在大口径高压力法兰中，会导致垫片压力过高而易被压溃[14]。因此建议小口径低压力法兰，采用较高的螺栓预紧力，大口径高压力法兰采用较低的螺栓预紧力。对常用的系列法兰（如ASME B16.5标准法兰）、垫片与螺栓，建议计算形成允许当量压力和对应的螺栓预紧力表格，在工程设计中，再将应力计算软件计算出的法兰当量压力和允许当量压力相比较，即可完成法兰泄漏校核，同时选择与之对应的螺栓预紧力。

在部分工程中对此方法进行了法兰泄漏校核与法兰安装的应用，发现与工程实践吻合较好，在法兰及法兰盲板的试压与运行阶段均未出现泄漏现象，由此证明该方法是可靠的。

4  结束语

法兰连接在压力容器与管道中应用广泛，如何确保法兰接头的密封性能以及正确安装对压力容器与管道设置的安全运行具有重要意义。目前常用的法兰泄漏校核方法虽多，但都存在一定的局限性，校核结论各不相同，给工程设计阶段的法兰泄漏校核带来了较大争议与不便。本文采用ASME PCC-1法为基础并考虑管道对法兰的作用力（矩）导致垫片密封压力和对螺栓拉应力的变化影响，能够更好地保证法兰在操作状态下密封以及螺栓安全，同时对常用法兰、垫片与螺栓计算形成允许当量压力和与之对应的螺栓预紧力，用于设计阶段的法兰校核以及施工阶段的法Fq7Y8Wp75r6d+87gNLMccVLmoZnSrG6Bl+eBNoUaByY=兰安装，在工程实际中取得了良好的应用效果，具有较强的准确性和可操作性。

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Discussion of Flange Leakage Checking

ZUO Yong， SONG Yue， HAO Han， SUN Mo-si

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

Abstract： 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.

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