針對大型浮式重型設(shè)備高壓法蘭的選用研究

張巍偉，姚康

針對大型浮式重型設(shè)備高壓法蘭的選用研究

張巍偉，姚康

（海洋石油工程有限公司， 天津 300451）

高壓法蘭的選擇和使用對確保大型浮式設(shè)備的安全平穩(wěn)運(yùn)行具有重要意義。選擇合適最佳的法蘭，不僅能夠降低因設(shè)備損壞帶來的成本損耗，降低維修成本，同時(shí)能提高設(shè)備運(yùn)行效率，增加經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出。本文首先對不同類型法蘭的性狀進(jìn)行了回顧和總結(jié)，然后從法蘭的材質(zhì)、密封形式、適配設(shè)備等方面詳細(xì)論述了法蘭的選擇標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用場景，并總結(jié)了一般的法蘭選擇及使用原則。

FPSO法蘭選擇； 法蘭材質(zhì)； 選擇使用原則

隨著海洋石油化工行業(yè)逐步走向深水，F(xiàn)PSO、半潛平臺等深水大型設(shè)備的不斷涌現(xiàn)，對于大型設(shè)備的減重問題也逐步提上日程，特別是管道連接暴露出來的問題，尤為突顯。為了滿足石化生產(chǎn)的條件，防止安全事故，管道的連接件尤其是法蘭的選擇，顯得尤為關(guān)鍵[1]。法蘭的選擇是不斷提高石化產(chǎn)品生產(chǎn)效率的重要途徑之一?，F(xiàn)在法蘭的形式多種多樣，很難選擇。因此，本文針對法蘭的選擇做了簡短的分析。

1 法蘭的基本描述

在石油化工行業(yè)連續(xù)生產(chǎn)連接件法蘭受內(nèi)部介質(zhì)腐蝕、沖刷、溫度、壓力、震動(dòng)等因素的影響，會(huì)造成難以避免的泄露問題。由于密封面加工尺寸誤差，密封元件老化和不可逆變形以及安裝緊固件不當(dāng)或扭矩值不夠等原因極易造成法蘭的泄露[2-3]。如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決法蘭泄漏問題，在介質(zhì)的不斷沖刷下會(huì)使?jié)B漏迅速擴(kuò)大，造成泄露、火災(zāi)等一系列的安全問題。尤其在日益增多的深水項(xiàng)目，法蘭的泄露會(huì)造成環(huán)境的污染和破壞，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和國際影響。如果是有毒有害、易燃易爆的介質(zhì)泄漏，極有可能造成人員中毒、火災(zāi)爆炸等重大安全事故。

針對FPSO、半潛平臺等深水作業(yè)的大型設(shè)備和船只，由于存在施工人員少、受限空間多、不能動(dòng)火作業(yè)、不能在線更換等因素的制約，法蘭的選擇需要考慮多方面的因素。在保證安全的情況下，需要考慮浮式設(shè)備的重量及通用性，同時(shí)也要考慮經(jīng)濟(jì)性，故法蘭的選擇尤為重要。本文針對國際某大型FPSO的設(shè)計(jì)，闡述法蘭的基本選型，為法蘭選型提供具體實(shí)例。

2 法蘭的類型

法蘭的形式多種多樣。按照法蘭石化行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)可分為：平焊法蘭、帶頸法蘭、對焊法蘭、環(huán)連接法蘭、承插法蘭、及盲板等。按照法蘭國別標(biāo)準(zhǔn)分可以分為：JIS法蘭、ANSI 法蘭、國標(biāo)法蘭 、歐標(biāo)法蘭、緊湊型法蘭、特殊設(shè)計(jì)（廠標(biāo)法蘭）等。按照制造標(biāo)準(zhǔn)分可以分為：鍛造法蘭、鑄造法蘭、割制法蘭和卷制法蘭。按照法蘭墊片的類型可以分為：彈性密封法蘭和塑性密封法蘭。按照法蘭密封形式可分為：平面法蘭、突面法蘭、凹面法蘭、凸面法蘭、槽面法蘭、榫面法蘭等[4]。

本文主要針對國際通用的ANSI 法蘭、緊湊型法蘭、特殊設(shè)計(jì)（廠標(biāo)法蘭）進(jìn)行詳細(xì)的對比分析。

3 法蘭的選擇和使用

3.1 法蘭材質(zhì)選擇的原則

研究法蘭的選擇和使用，應(yīng)用最佳的選擇方案，提高法蘭的使用壽命，降低生產(chǎn)的成本和施工成本，降低法蘭的泄露概率，同時(shí)為保證生產(chǎn)安全，減少甚至避免發(fā)生安全生產(chǎn)事故。合理使用材料和密封形式，不斷提高生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。

在選擇法蘭材質(zhì)的問題，通常情況下，法蘭的材質(zhì)要和與之相連的管道、設(shè)備等保持一致。在特殊情況下，比如該連接材質(zhì)價(jià)格昂貴，可以保持法蘭焊接端和連接端一致，而法蘭的其他組成部分可以選用滿足要求的其他材質(zhì)[5]。其次，也可將連接材質(zhì)設(shè)計(jì)成法蘭。法蘭的強(qiáng)度等不滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，需要更換法蘭的材質(zhì)，但必須滿足焊接的要求或者采用非焊接連接的形式。其他特殊情況，需根據(jù)工況具體分析。

3.2 法蘭及其密封形式的選擇和應(yīng)用

通過科學(xué)合理的選擇和使用法蘭及其密封形式，能夠滿足正常的生產(chǎn)需要，且有利于提高管系的使用壽命，降低泄露的危險(xiǎn)性，更好地完成生產(chǎn)。

選擇法蘭必須滿足相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，需要經(jīng)過科學(xué)的設(shè)計(jì)、加工、焊接等過程，再通過檢驗(yàn)，試壓密性等手段，保證其安全性。法蘭及其密封形式必須具有耐腐蝕，耐沖刷，耐震動(dòng)，不易泄露，安裝簡便等的特性。其次，要根據(jù)管系特性選擇最合適的法蘭和密封系統(tǒng)，如高低溫管系的選擇必須滿足溫度的要求。長期在高溫條件下使用，不存在泄露風(fēng)險(xiǎn)。但在低溫條件下，使用的法蘭和密封材料，需要經(jīng)過低溫沖擊試驗(yàn)，達(dá)到試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，方可選擇使用。

法蘭的選擇和使用，需與所選連接端的規(guī)格相匹配。墊片為密封件，有不同的種類，如石墨墊片、聚四氟乙烯墊片、金屬墊片等。選擇最佳的墊片，并且要與法蘭匹配，才能達(dá)到預(yù)期的效果。

目前大型浮式重型設(shè)備的壓力均比較大，多數(shù)為10000psi或者更高[6]，故下面將重點(diǎn)針對高壓力的法蘭和密封產(chǎn)品進(jìn)行分析。

表1 法蘭和密封產(chǎn)品介紹

由于對于常規(guī)的石油化工行業(yè)ANSI 法蘭已經(jīng)使用多年，經(jīng)驗(yàn)豐富，鑒于文章篇幅，這里不做介紹。下面主要針對緊湊型法蘭和特殊設(shè)計(jì)法蘭進(jìn)行分析。

標(biāo)準(zhǔn)的對比：由于緊湊型法蘭NORSOK L005（壓力10000psi以上的標(biāo)準(zhǔn)未公開），需要有資質(zhì)的廠家進(jìn)行設(shè)計(jì)（本文作者已經(jīng)研究相對應(yīng)的通用圖紙和設(shè)計(jì)規(guī)范，會(huì)在后續(xù)論文中闡述），但是相對很多法蘭廠家，這種法蘭可以通過有限元等設(shè)計(jì)，而且不同廠家生產(chǎn)的密封產(chǎn)品是可以互通，基本上算標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。

特殊設(shè)計(jì)的法蘭，標(biāo)準(zhǔn)均為廠家獨(dú)立研發(fā)，專利產(chǎn)品，在專利期間其他廠家無法得知具體的參數(shù)和設(shè)計(jì)規(guī)范，通用性很差[7]。

密封形式的對比：ANSI和緊湊型法蘭的密封均為塑性密封，雖然緊湊型法蘭為雙重設(shè)計(jì)的密封，但是墊片為塑性密封，多次使用需要更換墊片。

特殊設(shè)計(jì)的法蘭，基本上均為彈性密封，只要密封面保護(hù)完整，使用得當(dāng)，沒有經(jīng)過過多的摩擦，墊片和反復(fù)使用，而且均為雙重機(jī)械密封。

雙重密封的定義為：第一道密封為預(yù)緊密封，第二道密封為內(nèi)在壓力密封，具體情況可見下面的圖解。即管道內(nèi)部的壓力作用在密封圈上，造成一定的壓力，促使密封面進(jìn)行密封，保證密封的可靠性。

圖1-3展示幾種法蘭裝配前后及工作狀態(tài)的對比圖

緊湊型法蘭：

圖1 緊湊型法蘭裝配前后及工作狀態(tài)

ANSI法蘭：

圖2 ANSI法蘭工作狀態(tài)

特殊設(shè)計(jì)法蘭：

圖3 緊湊型法蘭裝配前后及工作狀態(tài)

使用情況的對比：ANSI和緊湊型法蘭使用條件較少，應(yīng)用比較廣泛[8]。但是在特殊情況下，比如壓縮機(jī)的進(jìn)出口、高溫高壓的系統(tǒng)、介質(zhì)摩擦力較大的系統(tǒng)，ANSI比緊湊型法蘭更容易出現(xiàn)泄露。

特殊設(shè)計(jì)的法蘭由于通用性差，基本上都是為了特殊工況下而設(shè)計(jì)的，由于雙重密封和彈性密封的特殊設(shè)計(jì)，促使該法蘭及其密封產(chǎn)品可以在震動(dòng)管系、高溫高壓管道的表現(xiàn)尤為突出。

3.3 法蘭綜合選用原則

目前世界范圍內(nèi)，工程規(guī)模越來越大，工程持續(xù)周期越來越長。大部分工程為通用系列規(guī)格，它們的使用環(huán)境相近，通用設(shè)備之間又比較近。為了方便后期維護(hù)，在管道設(shè)計(jì)和施工階段，需要密切關(guān)注和考慮法蘭泄露的后續(xù)維護(hù)工作[9]。

經(jīng)過本文的論述，一般情況下，盡量選用通用性比較好、更換墊片比較容易的法蘭形式。鑒于目前緊湊型法蘭使用不是很廣泛，可以在一些非關(guān)鍵而且容易失效的系統(tǒng)中來選用。而對于關(guān)鍵核心的和不易失效的系統(tǒng)，則應(yīng)該選用成熟的ANSI法蘭。此外，對于超高壓系統(tǒng)而言，應(yīng)該視具體情況而作特殊考慮。

4 結(jié)束語

研究和分析石油化工管道法蘭，選擇最佳的法蘭材質(zhì)和形式，對提高管道的使用壽命，滿足石油化工生產(chǎn)的技術(shù)要求及生產(chǎn)任務(wù)有著重要意義。在管道使用過程中，應(yīng)加強(qiáng)對管道系統(tǒng)的管理，進(jìn)行日常的維護(hù)保養(yǎng)以及定期的維護(hù)處理，才能降低設(shè)備維修成本、提高設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)效率、保證管道系統(tǒng)安全平穩(wěn)地運(yùn)行，為石油化工業(yè)增產(chǎn)增收。

［1］單鐵兵.海上供應(yīng)船旁靠大型浮式平臺耦合響應(yīng)的模型試驗(yàn)研究[J].船舶,2019,30(03):1-10.

［2］羅永智,王治剛,楊斌,李永紅.法蘭的設(shè)計(jì)和選用[J].機(jī)械研究與應(yīng)用,2017,30(05):174-176.

［3］張磊,劉偉,王彬權(quán),徐峰,邵穎麗.法蘭泄露校核的計(jì)算分析[J].現(xiàn)代化工,2017,37(07):214-216.

［4］趙艷艷,韓振,鄧寒霜,李筱玲,梁旭華.JX-WG128型壓力蒸汽滅菌器法蘭泄漏分析及改進(jìn)[J].廣州化工,2017,45(05):97-99.

［5］胥永林, 楊勇. 法蘭螺栓鐓鍛成形工藝研究[J]. 鑄造技術(shù), 2017, 38 (02): 419-422.

［6］李長華,仝強(qiáng),程兆欣,周銀生,宋文文,馬海龍.緊湊型法蘭的優(yōu)勢及在海洋石油工程中的應(yīng)用前景[J].中國造船,2012,53(S2):60-64.

［7］李春濤,徐福勝,周偉光.特殊形狀法蘭的有限元分析[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品,2011(05):4.

［8］陰生毅, 孟慶森, 楊茂. 大型法蘭泄露的帶壓封堵[J]. 粘接, 1999 (03): 41-42.

［9］厲學(xué)臣.法蘭螺栓材質(zhì)的選擇搭配與密封可靠性[J].石油化工設(shè)備技術(shù),1991(06):63.

Study on the Selection and Use of High Pressure Flange for Large Floating Heavy Equipments

,

（Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Shandong Qingdao 266000, China）

The selection and use of high pressure flange is of great significance to ensure the safe and smooth operation of large floating equipments. Choosing the proper and best flange can not only reduce the cost loss caused by equipment damage,and decrease maintenance cost, but also improve equipment operation efficiency and increase economic output. In this paper, the characteristics of different types of flanges were firstly reviewed and summarized. The selection standards and application range of flanges were discussed from the aspects of material, sealing form and fitting equipment, and the general selection and use principles of flanges were finally summarized.

FPSO flange selection; Flange material; Principle of selection and use

2020-03-31

張巍偉（1985-），男，工程師，天津市人，2008年畢業(yè)于河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)，研究方向：海洋石油工程，從事海上油氣技術(shù)工作。

TH134

A

1004-0935（2020）05-0529-04