48SmartVoice外载作用下小口径设备管嘴法兰校核方法的探讨1. 引言螺栓法兰连接是在压力容器和压力管道中广泛应用的连接形式[1]，由于其拆卸方便、结构简单在现代石化行业中的应用越来越广泛[2-4]。螺栓法兰连接按其所对应的专业可以划分为设备用法兰（容器法兰）、管道用法兰及设备与管道相接的管嘴法兰。设备和配管两个专业在各自的法兰设计及选用上根据本专业的需求形成了一套相对独立的设计习惯及其所对应的国内外的标准体系，并在工程实践上得到了很好的验证。在两专业相接的管嘴法兰处，由于设计习惯的不同常常会产生很多交叉的问题。以国内某项目DN80的设备管嘴法兰为例，该设备管嘴所接管道是催化剂返回线，设备的设计温度424度，设计压力0.8MPa，设备筒体材质为14CrMoR，接管材料为P11，管嘴法兰选用的是300LB、RF面标准法兰。因为催化剂对管道的磨损较大，为延长管道使用寿命，工艺专业要求管道尽量减少弯头的使用，并将管道壁厚由Sch80升至Sch160。经计算管嘴法兰所承受的外载分别是：径向弯矩M_L=3801N.m，环向力矩M_c=1040N.m，扭矩M_T=1214N.m，该受力提交至设备专业确认时发现，管嘴根部可以通过提高设备筒体壁厚或加大接管壁厚来通过局部应力的校核，但是管嘴法兰无法通过当量压力法的校核，需要将管嘴磅值由300LB提升至1500LB，这结果显然是有些不合理，如果通过增加管道柔性的方式来通过管嘴法兰校核则需要增加4至5个弯头及一定的直管段，这就相当于增加4、5个磨损点来防止管嘴法兰泄露，这么做显然也不够合理。在尝试使用其他校核方法解决该问题时得出了截然不同的结果。哪种方法能够解决该问题的同时还能够得到两个专业的认可，已成为本文重点讨论的问题。2. 法兰的分类2.1 设备用法兰对于设备用法兰（容器法兰），主要是指除设备管嘴法兰外的设备法兰。其设计准则主要分为两大体系，一类是以ASME为代表的美洲法兰体系；另一类是欧盟法兰设计标准EN1591[5]。前者的设计特征是基于法兰强度的计算，设计思路是首先通过垫片系数m和y确定最小垫片力，确定预紧和操作工况下法兰的螺栓荷载，最后进行法兰弹性强度校核[6]；后者是基于法兰密封紧密度的设计方法，验证安装工况和后续工况下法兰、螺栓和垫片的紧密度和强度计算。对于设备用法兰，具体工程应用情况是：非标法兰占一定的比例、法兰直径较大、在设计过程中主要以承压的强度设计为主、基本不考虑外载作用。比较有代表性的就是手孔、人孔法兰及换热器管壳程连接处法兰，对于手孔、人孔法兰基本不存在外载的作用，对于换热器管壳程连接处法兰即便有外载作用在换热器管嘴上，相对于管壳程连接法兰的口径及换热器的支撑方式，其外载影响效果折算至连接法兰处基本可忽略，基于以上原因，设备用法兰在设计习惯上是暂不考虑外载作用的情况。摘要：法兰按其在工程上所对应的专业可划分为设备用法兰、管道用法兰及设备与管道相接的管嘴法兰。简要说明这三类法兰的设计特点，并介绍了设备和配管两专业在法兰校核上所侧重的方法。通过代表性的工程实例，得出外载作用下的管嘴法兰采用各专业所侧重的不同校核方法产生的不同结果，在此基础上详细阐述了当量压力法，NC3658.3及EN1591法兰校核方法的计算原理、各自特点及存在的问题，最后结合计算结果的对比、分析，为外载作用下小口径管嘴法兰校核方法的选择提出了建议。关键词：法兰校核；当量压力法；EN1591；NC3658.3 涉及的海克斯康数字智能产品：CAESAR II张军文（中石化工程建设有限公司）

石油和天然气智慧心声492.2 管道用法兰对于管道用法兰，在此特指用于管道与管道、管道与阀门之间的连接法兰，该类法兰设计选用主要以标准法兰为主。因为非标法兰使用较少，法兰的强度校核在管道法兰中较少被使用及讨论，同时管道用法兰因管道运行过程中管道应力分布不均，带来了附加外力及力矩[7]，附加外力及力矩是造成管道用法兰泄露的主要原因。ASME B31.3并没有对法兰外载荷的处理提出明确的方法和公式[8]，国内石化行业标准仅要求对剧烈循环工况和极度危害介质的管道进行法兰校核[9-10]。对于外载作用下法兰的校核方法主要有当量压力法，NC3658.3，ASME Ⅷ及EN1591。多年工程经验的积累，使配管专业在法兰校核上积累了丰富的经验，主要体现在以下几点：1.对于当量压力法保守性的认识较深刻；2.校核方法多样性化发展，上述几种方法的计算结果在工程上都被认可，即采用任一方法通过法兰校核，该法兰可被认为是安全的。2.3 设备管嘴法兰对于设备管嘴法兰，在此特指压力容器上与管道相接的管嘴法兰。该类法兰的设计归属于设备专业，因其与管道法兰相接，主要以标准法兰为主，但是在设计过程中基于设备专业对于法兰设计的习惯，主要是基于压力作用下的强度设计，很少考虑外载作用情况，SH/T 3074对于外载作用下的法兰校核方法仅给出了当量压力法。对于小口径的管嘴法兰，在使用当量压力法校核时存在大量的问题[11]。通过上述内容可以看出，目前主要的法兰校核方法有当量压力法、NC3658.3、ASME Ⅷ和EN1591这四种方法。当有外载情况存在时，设备专业常用的是第1、3两种方法来校核，配管专业则常用的是第1、2种方法，对于EN1591，虽然都有提及且被认可，但是因其计算的复杂性，在工程实践中较少被使用。3. 外载作用下法兰校核方法的介绍3.1 当量压力法此法出自Kellogg工程公司，其计算公式如式1所示。 (1)式中：F——轴向力；M——弯矩；G——垫片载荷作用的直径；P——介质压力；Pe——计算出的当量压力。该方法被大量工程应用且证明有足够的安全性，同时也被大量文章指出具有保守性[7,12-13]，其保守性主要有两点原因：1）法兰接头是由法兰、螺栓、垫片组成的一个密封系统，法兰的外弯矩是同时作用于螺栓和垫片的，作用于垫片环面的弯矩只是法兰接头系统所受外弯矩荷载的一部分；2）当量压力法在推导过程中把垫片的非均匀荷载转化为大小均匀的作用在垫片上的拉应力[7]，而外力矩在当量压力折算中占比较重，尤其是对于小口径法兰。使用当量压力法校核上例法兰时，校核结果为许用值的445%，需要将法兰磅值至少提升至1500LB才能在该方法下通过法兰校核。3.2 NC3658.3NC3658.3的校核方法出自ASME BPVC Ⅷ Division 1 NC分卷，适用于26寸以下的ASME法兰[12]，该方法在校核时将法兰看做一个整体，并将其应力与法兰材料的屈服强度进行比较[14]，尽管[12-14]均在结论中指出该方法为更优的法兰校核方法，但是笔者认为该方法同样存在一定的缺陷性，法兰、螺栓、垫片，密封的三元素，该方法仅考虑了前两者而忽略垫片的影响，光从此点出发即可判断其存在一定的缺陷性。使用NC3658.3校核上述法兰时校核结果为127.2%，对于600LB法兰校核结果与300LB一致，使用900LB法兰时校核结果为96.83%。虽然使用NC3658.3能将法兰磅值降至900LB，但因其在设备专业中的认识度较低，且存在一定的缺陷性，该方法的计算结果很难得到设备专业的认可。3.3 EN1591EN1591的校核方法主要有以下几点特点：1）计算方法上较为先进，基本不存在理论缺陷性，充分考虑了法兰螺栓垫片三者的相互影响，同时还考虑三者热膨胀变形的影响；2）可以计算多种工况并至少需计算初始装配、压力试验及正常运行三种工况[15-17]；3）该方法是基于法兰密封紧密度的设计方法，既能保证泄漏率达到规定要求，又能保证法兰的结构完整性需求，该方法使用的垫片参数由试验确定，从而保证了设计结构的可靠性[6]。使用EN1591校核上述法兰时校核结果为41%，300LB法兰已能满足设计要求。4. 外载作用下三种法兰校核方法的结果对比上述三种方法得出完全不同的三种结果，差别还比较大，为了能够更好的反应问题，本文应用管道应力分析软件是基于压力作用下的强度设计，很少考虑外载作用情况，SH/T3074对于外载作用下的法兰校核方法仅给出了当量压力法。对于小口径的管嘴法兰，在使用当量压力法校核时存在大量的问题[11]。通过上述内容可以看出，目前主要的法兰校核方法有当量压力法、NC3658.3、ASMEⅧ和EN1591这四种方法。当有外载情况存在时，设备专业常用的是第1、3两种方法来校核，配管专业则常用的是第1、2种方法，对于EN1591，虽然都有提及且被认可，但是因其计算的复杂性，在工程实践中较少被使用。作用下法兰校核方法的介绍量压力法此法出自Kellogg工程公司，其计算公式如式1所示。??0=??+23456+78945:(1)式中：??轴向力；??弯矩；??垫片载荷作用的直径；??介质压力；??0计算出的当该方法被大量工程应用且证明有足够的安全性，同时也被大量文章指出具有保守性[7,1213]，其保守性主要有两点原因：1）法兰接头是由法兰、螺栓、垫片组成的一个密封系统，法兰的外弯矩是同时作用于螺栓和垫片的，作用于垫片环面的弯矩只是法兰接头系统所受外弯矩荷载的一部分；2）当量压力法在推导过程中把垫片的非均匀荷载转化为大小均匀的作用在垫片上的拉应力[7]，而外力矩在当量压力折算中占比较重，尤其是对于小口径法兰。使用当量压力法校核上例法兰时，校核结果为许用值的445%，需要将法兰磅值至少提升至1500LB才外载作用下小口径设备管嘴法兰校核方法的探讨

50SmartVoiceCAESAR II 2019分别采用当量压力法、NC3638.3及EN1591三种方法针对小口径（主要指口径在DN200及以下，后续本文仅讨论该部分法兰）低磅值（900LB及以下）的管口法兰进行校核。为简化计算，设备管嘴定为封头顶部的管嘴法兰，外载仅考虑对法兰校核结果产生影响的轴向力、扭矩及两个方向相等的径向弯矩，作用在管口法兰的外载按式（2-4）取值，该式与SH/T 3074相一致，为了更好的暴露问题，b值的取值如表1所示有一定增大。法兰材料为A182 F11，螺栓材料25Cr2MoVA，150LB至600LB垫片是带定位环的缠绕垫，900LB法兰垫片为金属垫，金属材质为5Cr1/2Mo。计算温度取为300℃，计算压力按计算温度下法兰温压曲线对于压力的50%取值。使用EN1591方法时，最大垫片工作应力等关键参数取自EN1591-2，泄漏率按较高值取值，校核准则按式（5）取值，当φ_max<1时做相应的折算（公式中各符号的定义及取值详见EN1591-1），后续所列的结果均为折算后值。 (2) (3) (4) (5)式中：FA——轴向力；ML——径向弯矩；MT——扭矩；D——接管的公称直径。表1 “b”值的取值法兰等级“b”值150LB0.6300LB0.7600LB0.8900LB1.8图111为计算结果。从图1外载作用下当量压力法的校核结果中可以看到，用该方法校核时，其结果呈现出以下几个特点：1）对于小口径的法兰，校核结果都是不通过；2）对于150LB的法兰超标较为严重，最低的也超了300%；3）当法兰口径升高时，超标值呈下降趋势，并逐渐回归至一个相对来说比较合理的结果。产生这一结果的主要原因是对于小口径法兰，垫片载荷作用的直径过小，外载尤其是力矩通过该值转换的当量压力过大，从而造成校核结果的失真，这也是为什么在很多项目中一般不会用当量压力法来校核小口径法兰。图1 外载作用下当量压力法的校核结果从图2外载作用下NC3658.3方法的校核结果中可以看出，用该方法校核法兰时，存在以下几个特点：1）除了DN200、150LB的法兰外，其余校核结果都是通过，校核结果较为理想；2）当法兰口径升高时，各校核方法超标值呈波动式变化。产生这一结果的主要原因是该校核方法仅考虑外载对于螺栓及法兰的影响，小口径法兰螺栓面积较大，可承受相对这一口径法兰所对应的较大外载，同时螺栓的面积不是一个线性的增长，有些同样磅值不同口径的法兰对应同一规格和数量的螺栓，如300LB的DN65、DN80和DN100的法兰对应的都是8组M20的螺栓，有些不同磅值同样口径的法兰对应同一规格和数量的螺栓，如DN65和DN80口径下，300LB和600LB法兰对应的都是8组M20的螺栓，这就造成同样磅值不同口径的法兰或者是同一口径不同磅值的法兰能够承受相同或较为接近的外载，这一结果明显不合理。在校核过程中还发现，校核结果与外载中的力矩成线性关系，内压的变化对于校核结果不产生任何影响。通过上述内容可以看出NC3658.3存在一定的理论缺陷性，该方法因其对于小口径法兰校核结果较为理想而被广泛使用，但是在使用过程中应注意内压占比的影响。图2 外载作用下NC3658.3方法的校核结果从图3外载作用下EN1591方法的校核结果中可以看到，用该方法校核法兰时，存在以下几个特点：1）校核结果全NC3658.3的校核方法出自ASMEBPVCⅧDivision1NC分卷，适用于26寸以下的ASME法兰[12]，该方法在校核时将法兰看做一个整体，并将其应力与法兰材料的屈服强度进行比较[14]，尽管[12-14]均在结论中指出该方法为更优的法兰校核方法，但是笔者认为该方法同样存在一定的缺陷性，法兰、螺栓、垫片，密封的三元素，该方法仅考虑了前两者而忽略垫片的影响，光从此点出发即可判断其存在一定的缺陷性。使用NC3658.3校核上述法兰时校核结果为127.2%，对于600LB法兰校核结果与300LB一致，使用法兰时校核结果为96.83%。虽然使用NC3658.3能将法兰磅值降至900LB，但因其在设备专业中的认识度较低，且存在一定的缺陷性，该方法的计算结果很难得到设备专业的认可。N1591EN1591的校核方法主要有以下几点特点：1）计算方法上较为先进，基本不存在理论缺陷性，充分考虑了法兰螺栓垫片三者的相互影响，同时还考虑三者热膨胀变形的影响；2）可以计算多种工况并至少需计算初始装配、压力试验及正常运行三种工况[1517]；3）该方法是基于法兰密封紧密度的设计方法，既能保证泄漏率达到规定要求，又能保证法兰的结构完整性需求，该方法使用的垫片参数由试验确定，从而保证了设计结构的可靠性[6]。使用EN1591校核上述法兰时校核结果为41%，300LB法兰已能满足设计要载作用下三种法兰校核方法的结果对比上述三种方法得出完全不同的三种结果，差别还比较大，为了能够更好的反应问题，本文应用管道应力分析软件CAESARII2019分别采用当量压力法、NC3638.3及EN1591三种方法针对小口径（主要指口径DN200及以下，后续本文仅讨论该部分法兰）低磅值（900LB及以下）的管口法兰进行校核。为简化计算，设备管嘴定为封头顶部的管嘴法兰，外载仅考虑对法兰校核结果产生影响的轴向力、扭矩及两个方向相等的径向弯矩，作用在管口法兰的外载按式（24）取值，该式与SH/T3074相一致，为了更好的暴露问值的取值如表1所示有一定增大。法兰材料为A182F11，螺栓材料25Cr2MoVA，150LB至600LB垫片是带定位环的缠绕垫，900LB法兰垫片为金属垫，金属材质为5Cr1/2Mo。计算温度取为300℃，计算压力按计算温度下法兰温压曲线对于压力的50%取值。使用EN1591方法时，最大垫片工作应力等关键参数取自-2，泄漏率按较高值取值，校核准则按式（5）取值，当???@A<1时做相应的折算(公式中各符号的定义及取值详见EN15911)，后续所列的结果均为折算后值。??C=2000????(2)??\"=130????E(3)??-=150????E(4)???@A=??????I1;0.6+1L[5.25+(??−1)E]ST（5）

石油和天然气智慧心声51部通过，除DN200,150LB法兰达到60%外，其余结果均在45%以下；2）校核结果没有明显的变化趋势可言。产生这一结果的主要原因是该校核方法考虑因素较多，基本上对于法兰校核结果产生的因素都涵盖了，因此无法呈现出一个明显的趋势。图3 外载作用下EN1591方法的校核结果图4-7是不同磅值下三种方法校核结果的对比，从图中可以看出，对于小口径法兰，EN1591的校核结果最小，其次是NC3658.3，最后是当量压力法；EN1591的校核结果至少要比NC3658.3低至少30%以上，说明即便是将外载值增至一个较大值，使用EN1591的方法校核时仍能取得较为理想的结果。图4 三种校核方法针对于150LB法兰的校核结果对比图5 三种校核方法针对于300LB法兰的校核结果对比图6 三种校核方法针对于600LB法兰的校核结果对比图7 三种校核方法针对于900LB法兰的校核结果对比图8-11给出了介质压力变化或外载条件变化时使用EN1591校核方法的校核结果对比。从该图中可以看出，无论是外载增加一倍（其余条件不变）还是压力提高50%（其余条件不变），校核结果较之之前的结果增幅都不大，不超过10%。从这一结果中可以得出：1）外载或外压的变化对于校核结果的影响并不是一个线性的关系；2）内压或外载变化的影响对于不同的法兰呈现出不同的态势，如900LB DN200的法兰对于压力变化的影响更为敏感；3）对于小口径低磅值的标准法兰，法兰本身留有较高的安全裕量，能够保证法兰本身在满足内压条件的同时承受较大的外载。图8 150LB法兰用EN1591方法校核外载提升前后结果对比外载作用下小口径设备管嘴法兰校核方法的探讨

52SmartVoice图9 300LB法兰用EN1591方法校核外载提升前后结果对比图10 600LB法兰用EN1591方法校核外载提升前后结果对比图11 900LB法兰用EN1591方法校核外载提升前后结果对比5. 结论（1）对于小口径法兰，当量压力法中垫片压紧力作用中心圆直径的取值过小，从而造成外载尤其是力矩通过该值转换的当量压力过大，进而造成校核结果的严重失真，对于该范围内的法兰不推荐使用该方法来校核。（2）NC3658.3的校核方法仅考虑外载对于螺栓及法兰的影响，对于小口径法兰，螺栓面积较大，可承受相对这一口径法兰所对应的较大外载，但是螺栓的规格和数量受限于法兰面尺寸的影响，不能呈现出一个线性的增加，这就造成同样磅值不同口径的法兰或者是同一口径不同磅值的法兰只能承受同样的外载，同时该校核方法的校核结果与外载中的力矩成线性关系，对于内压的变化不产生任何影响。该方法存在一定的理论缺陷性，在使用过程中应注意内压的影响。（3）EN1591的方法校核结果比上述两种方法都低，外载或内压的变化对于校核结果的影响并不是一个线性的关系，对于小口径低磅值的法兰，法兰本身留有较高的安全裕量，能够保证法兰本身在满足内压条件的同时承受较大的外载，这一结论也与目前工程实践的结果相吻合（国内外项目中对于小口径低磅值的法兰较少校核外载的影响，实践中也基本没有出现法兰泄露的问题）。该方法在设备和配管两专业获得的认可度较高，能够很好的解决管嘴法兰校核问题，但因计算过程较为复杂而较少被使用，随着CAESAR II 2019版将该方法的引入，该方法的应用范围会越来越广。参考文献：[1] 姜峰，王雅，俞树荣，梁瑞. Taylor-Forge 法与欧盟法兰设计另一方法对比分析[J]，压力容器2017,(3) 50-56. [2] 王爱民，王雅，姜峰. 国内外常用法兰连接设计方法的对比研究压力容器先进技术——第九届全国压力容器学术会议论文集[C] 2017，439-444.[3] 沈铁，陆晓峰. 高温螺栓法兰连接系统的失效分析[J] 润滑与密封 2006，（4）164-166.[4] 高旭，曾国英. 螺栓法兰连接结构有限元建模及动力学分析[J] 润滑与密封 2010，（4）68-71.[5] 王盼盼，宋鹏云，杨玉芬. 国内外法兰连接典型设计方法讨论[J] 石油化工设备 2008，（1）49-53.[6] 曹磊，陈平. 美国与欧盟法兰设计标准发展与设计方法分析[J] 管道技术与设备 2019，（2）36-40.[7] 刘中阳. 外载荷下的法兰泄露校核方法[J] 石油化工设计2010，（1）42-44.[8] 张旭. 压力管道设计中法兰校核方法探讨[J] 石油与化工设备 2010，（13）5-9.[9] SH/T 3041-2016. 石油化工管道柔性设计规范[S].

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