塔設備連接法蘭的校核方法研究及應用

劉萬朋，施哲雄，何榮娥，周 陽

(華東理工大學機械與動力工程學院, 上海 200237)

0 引 言

塔設備是石油化工裝置中常見的設備，在生產中占有十分重要的地位.一些中低壓工作狀態下的塔設備為了拆裝方便，往往采用法蘭連接，然而法蘭連接處又是塔設備發生泄漏的潛伏點，且工作介質一般情況下具易燃易爆有毒的特點，一旦發生泄漏或者其他的失效形式，后果將會十分嚴重，所以科學合理的法蘭校核方法對保證塔設備的安全運行顯得尤為重要.

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[1].塔節通過法蘭用螺栓連接在一起，靠螺栓連接來增加法蘭和墊片之間的壓緊力，使墊片表面產生塑性變形或彈性變形，阻隔了塔內流體或氣體介質可能外溢的通道，從而保證連接處的密封性.因此，塔設備連接法蘭的校核要兼顧應力和應變兩個方面，既要保證法蘭連接系統的強度要求，同時還要保證法蘭連接可靠的密封性.

1 失效機理

研究的對象為某公司塔設備腐蝕最嚴重且風彎矩相對較大的一個法蘭，其腐蝕機理主要是保溫層下腐蝕(CUI).通過現場調查，可以發現腐蝕嚴重的部位保溫不合理，造成保溫層內含有大量的積水無法排出，且塔的工作溫度在35 ℃左右，在易發生保溫層下腐蝕的溫度范圍內(-12 ℃～117 ℃)[2]現場實景如圖1所示.

圖1 現場照片Fig.1 Scene photos

從現場照片上可以看出法蘭、螺栓腐蝕嚴重，并且塔內的工作介質為二氯乙烷，屬于易燃易爆有毒性氣體，一旦發生失效，后果影響范圍將會很大.因此，對該塔連接法蘭進行科學合理的校核迫在眉睫.

2 有限元分析

傳統的法蘭設計和校核，國內參考的標準主要是GB150[3]和JB4710[4]，在該準則中，假設法蘭和墊片是剛性的，用剛性方程來描述它們的力學特征，并且準則中所計算主要是強度計算，并不考慮外部載荷的影響和法蘭的泄漏問題，而在實際情況下，由外部載荷造成的法蘭泄漏也是常見的失效形式[5].接下來將通過有限元分析軟件(AxiPRO)來對塔設備連接法蘭在外部載荷作用下的強度和剛度要求進行計算.

2.1 法蘭參數

法蘭是一個連接系統[6]，在有限元計算過程中，需要對法蘭、螺栓、螺母及墊片進行深入的研究，有關設計參數如表1所示，法蘭零件圖如圖2所示.

圖2 法蘭剖視圖Fig.2 Cutaway view of flange

根據法蘭的計算壓力、設計溫度和材料種類，結合HG20625(美洲體系)[7]可以確定法蘭的等級為PN2.5 MPa(class 150)的帶頸平焊法蘭；螺栓為高強度螺栓，公稱抗拉強度為800 MPa，屈服強度為640 MPa；根據HG20606[8]可確定墊片為凸凹面墊片.

具體設計參數如表2所示.

表1 設計參數Table 1 Design parametres

表2 法蘭和墊片參數一覽表Table 2 Flange & gasket parameters

由表1和2可以看出，連接螺栓和法蘭的選用均滿足HG20593[9]標準.

2.2 分析模型

接螺栓d=20.45 mm，法蘭最大厚度δ=24.1 mm.

2.3 網格劃分

法蘭連接系統中涉及到法蘭對、螺栓和墊片的網格劃分，有限元軟件中默認的網格劃分是3×3的網格節點，為了得到更貼近實際的力學結果和更詳細的墊片應力分布情況，采用4×4的網格節點，網格質量0.72，共劃分8 949個單元，10 293個節點.

圖3 有限元模型Fig.3 Finite element model

2.4 載荷施加

在分析中，主要考慮軸向應力、地震載荷和由風載、雪載等產生的外部彎矩載荷影響.在各種法蘭設計和校核標準中，都沒有明確規定外部載荷和許用應力的關系，ASME SECⅧ Div1 中規定“所設計法蘭應該足夠強度以承受外部載荷”[10]，GB150中也沒有做明確的規定，只是在API 605《大口徑碳鋼法蘭》中明確規定溫度-壓力等級表中的法蘭應該能夠承受與其相連管道許用應力一半所對應的外部彎矩[11].實際失效案例中，外部彎矩是造成法蘭泄漏的一個主要原因.在分析中，取內壓P=1.1 MPa，外彎矩M=13 648 152 N·mm，軸向載荷F=47 326.5 N(外彎矩和軸向載荷為SW6軟件計算結果)計算參數如表3所示.

表3 塔設備SW6計算參數表Table 3 SW6 calculation parameters for tower

3 法蘭計算結果分析

塔設備連接法蘭要保證法蘭連接系統的強度要求和法蘭連接可靠的密封性，所以法蘭的校核要從應力和應變兩個方面進行分析.

3.1 強度校核

法蘭連接系統的強度校核主要是通過等效應力確定危險區域，然后對危險區域進行應力計算，最后將計算結果與許用應力比較，進而確定法蘭連接系統組件是否滿足強度要求，通過有限元軟件計算得到法蘭螺栓的應力結果如圖4所示.

從圖4中可以看出，兩種工作狀態下，對于法蘭來說，較大應力都集中在法蘭和塔節的連接處及法蘭的錐頸處；對于螺栓和螺母來說，螺柱與螺孔的接觸面和螺柱與螺母的接觸面應力較大，且外部彎矩對螺栓的應力改變不是很大.

對法蘭危險區域進行數據讀取，可得到最大應力.

即：① 預緊狀態下σmax1=166.062 MPa

② 操作狀態下 σmax2=182.060 MPa

則

σmax=max(σmax1，σmax2)=182.060 MPa<1.5

[σ]=244.3 MPa(GB150-1998)

校核合格對螺栓危險區域進行數據讀取，可得到最大應力，如表4所示.

螺栓等級為8.8級，由此可知其抗拉強度為800 MPa，所以螺栓的許用應力為

[σ]=267 MPa

螺栓計算應力均小于許用應力，即螺栓滿足強度要求.

表4 螺栓計算應力Table 4 Calculation stress of bolts

3.2 密封性校核

3.2.1 校核結果 法蘭因剛度造成的失效主要是介質泄漏[12]，這也是法蘭在實際應用中最主要的失效形式.ASME Ⅷ Div1和GB 150的法蘭校核只是關于強度的校核，并不考慮法蘭的剛度校核，即法蘭的泄漏問題.這樣誤導人們認為只要滿足了強度要求，理論上就不會泄漏，且在面對法蘭的泄漏問題時，缺少計算依據和定量的計算，只能憑經驗處理法蘭泄漏問題.

考慮到法蘭、墊片和工作介質，法蘭的泄漏校核主要從法蘭的剛度因子、墊片外邊緣應力和介質泄漏流量及外邊緣泄漏介質最小可檢測量三個方面進行考查，校核結果如表5所示.

表5 剛度校核結果Table 5 Results of rigidity check

注： 1.分析所選用的代表性流體為氯甲烷;2.允許值由ASME標準計算，工作介質泄漏允許值來源于EPA/API.

3.2.2 泄漏預判斷方法及應用 法蘭泄漏是一個非常復雜的問題，涉及到法蘭形式、法蘭等級、墊片屬性、螺栓以及相對剛度、預緊力、法蘭溫度梯度和外部載荷等因素[13-14]，并且墊片應力在外部載荷作用下的變化是個高度非線性的復雜問題，所以對法蘭在操作工況且有外部彎矩作用下的泄漏進行預判斷，是非常困難的.然而，無論是在法蘭設計中，還是法蘭校核中，對法蘭泄漏情況進行定量預判斷都有著非常現實的意義.像ANSYS、Abaqus等有限元軟件解決這類問題計算過程比較復雜，下面主要是結合專門用于法蘭連接分析的有限元軟件(AxiPRO)對法蘭泄漏預判斷方法的探討及應用，該軟件采用的是ASME BFJ(Bolted Flange Joint)法則和墊片非線性屬性模型.

由文獻可知：依據墊片的應力分布可以推斷法蘭的泄漏情況及泄漏趨勢[12].所以選擇墊片的應力分布作為法蘭泄漏預判斷的依據，具體判斷步驟如下：

(1)確定墊片的最大應力要求和最小應力要求墊片的最小應力要求是保證法蘭連接不泄漏的最低標準，最大應力要求是保證墊片有效性能的最大值.

實例中，通過軟件計算可得墊片的最小應力要求為6.201 MPa(保證密封性)，最大應力要求為151.580 MPa(保證墊片正常的力學性能).

(2)分析墊片的應力分布情況

實例中墊片的應力分布情況如圖5所示.

圖5 墊片應力分布Fig.5 Gasket stress distributions注：

由圖5可知：①在預緊狀態下，墊片的應力分布沿徑向由內向外逐漸增大，外邊緣最大應力約59 MPa，位于螺栓的連接部位，此處由于螺栓預緊力的作用使得墊片應力最大.②在操作狀態下，受壓側墊片外邊緣的最大應力上升到65 MPa，受拉側降到51 MPa.

(3)預判斷墊片的泄漏情況

由步驟(2)的分析結果可知：極端情況下的墊片應力分布都在許用應力范圍內，理論上不會泄漏，即使要泄漏的話，泄漏最易發生在以1#螺栓(迎風側)為中心順時針偏轉18°和逆時針偏轉18°的地方.

除此之外，還可以通過分析有限元軟件的計算結果，尋查法蘭的泄漏原因.眾所周知，塔設備連接法蘭的泄漏主要與法蘭剛度、墊片類型、安裝質量、螺栓預緊力和外部載荷等因素有關，可以控制單一因素，用有限元分析軟件進行計算分析，尋查具體情況下的法蘭泄露原因，若是墊片選擇問題，可以考慮更換墊片；若是安裝問題，可以考慮提高安裝質量；若是螺栓預緊力不夠，可以緊固螺栓；若是外部載荷過載，可以考慮降低外部載荷.

4 結 語

a. 在組合載荷的作用下，較大應力集中在法蘭和塔節的連接處、法蘭錐頸處、螺柱與螺孔的接觸面和螺柱與螺母的接觸面上；

b. 外部彎矩的變化對螺栓應力的影響不是很大，主要是引起墊片應力的再分布；

c. 墊片在外部彎矩的作用下，應力分布沿徑向由內到外應力逐漸增大，最大應力集中在墊片的外邊緣；

d. 外部彎矩下的法蘭泄漏預判斷問題可以參考有限元的計算結果進行分析，該判斷方法簡單易操作；

e. 運用有限元軟件進行計算分析，可以尋查法蘭泄漏原因，為解決法蘭泄漏問題提供理論依據及更佳解決方案.

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