承受外载管道法兰的安全防护

郑茂鼎 中国寰球工程公司 北京 100012

管系法兰的安全问题，美国法兰标准中有提示:“高温和低温条件下，使用法兰要避免在管道或设备连接处因受外力和力矩而引起泄漏的危险。还提出当大于200℃条件使用CL.150 (150psi 级)法兰可能产生泄漏，除非注意避免剧烈的外载和温度变动。对于400℃以上使用其它压力级的法兰时，也应考虑同样问题。”［1］

高温法兰在初运行中发生泄漏时，有的进行降压，把紧螺栓、再升压，可以恢复正常运行。如后来不再泄漏，可能是安装问题。本文重点讨论法兰承受外载有关的设计问题。在温度没有变动的情况下，主要应避免剧烈的外载。而外载的大小，与管道布置、支架设置、管径及柔性计算密切相关，如何避免剧烈外载，这是法兰防泄漏的要点。

1 法兰的当量压力Pe 的计算

根据《ASME 锅炉及压力容器规范》第III 部分Pe的计算公式:

式中，Pe为法兰的当量压力;M 为附加弯矩;F为附加轴向力(受压时可不计);G 为垫片有效直径［3］。

有热/冷位移的管道(本文指设计温度＜ -30℃及＞100℃的范围)，法兰承受外载可换算为当量压力Pe，式(1)中，用于低温管道应计入轴向力。关于垫片的有效直径，可按所示文献要求计算。

2 法兰设计与选用中的Pe

(1)如果是设计特殊法兰，工作压力Pw与Pe之和，就是法兰的设计压力。此时，设计压力应大于1.1Pw。按法兰的设计压力、温度核算相应的公称压力PN，应高于该管道等级按最严重条件确定的法兰PN。

(2)如果是选用标准法兰，法兰的PN 应符合该管道等级按最严重条件确定的法兰PN。一般情况，管道的设计压力是工作压力的1.1 倍，特殊情况按管道规范确定。

对于有热/冷位移的管道，法兰承受外载等于当量压力Pe，有时需要提升法兰的PN。

3 法兰的压力裕量

在法兰标准中，PN/CL 对应的压力与温度额定值是许用的压力与温度。可按式(2)、(3)计算压力裕量。

式中，P 为管道设计压力;Pw为管道工作压力;Pr为法兰压力裕量;PAL为法兰许用压力。

选用法兰的PN，有提档和套档，在压力额定值中，含有压力裕量Pr。

有热/冷位移的管道，法兰公称压力PN 不低于20bar，且应避免压力裕量过低。法兰承受外载，需要适量的压力裕量，以防法兰产生泄漏。

4 验算法兰的压力裕量

对于有热/冷位移的管道，在选用法兰的PN时，建议及时用式(3)计算Pr 值，并按表1 举例汇总有关数据及结果，供后续设计工作使用。

从表1 可看到PN 套档对产生Pr值的影响很大。序号1 法兰Pr的值太小，属于压力裕量不足的法兰。对于这种法兰，除非管道布置时可相应减小外载，否则PN 应提高一档。建议在管道等级编制过程中，发现法兰Pr值较小，可采取措施，如PN 为20 或CL.150，可考虑将PN 提高一档;CL/PN 更高的法兰，由于档差较大，是否提档，由设计者考虑。

表1 法兰压力裕量计算数据汇总表

对于未提档的Pr＜20bar 的管道，需注意防护，宜安排尽早进行柔性计算，取得外载的数据，以便于后续工作。

一个管道等级内有多条管道时，一般按最严重条件选用法兰的PN，但各条管道设计压力、温度不同，Pr也不同。表2 为碳钢PN 20 法兰的Pr值，可作为选定最低PN 之用。表2 中可知，CL.150 或PN 20 碳钢法兰在温度＞200℃或工作压力大于5bar 时，绝大部分压力裕量Pr都不足，应选用不低于PN 40 的法兰。

及时验算法兰压力裕量的好处:

(1)发现需注意防护的法兰，及时采取措施。

(2)合理安排柔性计算的计划。

(3)通过实践积累法兰所需Pr值的经验。

表2 碳钢CL. 150/PN 20 法兰的压力裕量Pr(bar )

5 法兰外载与Pe 的关系值

法兰外载与Pe 数值间的关系，按式(4) ～(5)计算，用缠绕垫的法兰，关系值见表3。

式中，M 为合成弯矩，N-m;F 为轴向力，N (受压可不计);Pe为法兰当量压力，MPa;G 为垫片有效直径，cm;M1为Pe=1 时的合成弯矩，N -m;F1为Pe=1 时的轴向力，N。

工程设计中，从柔性计算得到法兰承受的外载Mc与Fc，可按公式(6)计算当量压力Pec 值。

更进一步，如果管道设计者根据本文的方法，按工程中常用垫片尺寸，预先算出M1 与F1 的数据，并列在一个表内，那么只需用公式(6)即可简捷地算出各种常用法兰的当量压力。

式中，Pec为柔性计算法兰的当量压力，bar;MC为柔性计算法兰处的合成弯矩，N -m;FC为柔性计算法兰处的轴向力，N (受压可不计)。

表3 法兰外载与当量压力的关系值

6 法兰Pe 与管道σE 的关系

如果管道两端有法兰，中间没有管架，管道的位移应力水平会受法兰的制约，很难提高。

法兰当量压力Pe值与承受外加弯矩M 的关系，如换为与管道位移应力范围σE的关系，便于了解管道柔性需达到怎样的水平。Pe与σE的关系见表4 和表5。总结有三点:

(1)法兰承受外加弯矩的能力比管子差，要求管道柔性计算的σE在低的水平上。

(2)同样的σE值，管子壁厚越厚，对应的Pe越大。要求Pr和PN 也要更大。

(3)Pr形成与DN 无关，但法兰承受外载能力与DN 有关。同样的σE值，小管对应的Pe 比大管大，要求Pr和PN 也要更大。DN200 ～600 其σE水平比较接近。

举例说明:DN200、Sch.80 管子，Pe= 20bar时，σE的水平已不高了，σE=140bar，只有许用位移应力范围的7% ～8%;如Pe=10bar 时，此值只有一半。这说明Pe＜20bar 需要管道的柔性很高，对管道布置的要求也很高。具体数据见表4 和表5。

表4 法兰当量压力Pe 与管道位移应力范围σE 的关系(bar)

表5 管子单位位移应力的弯矩值

由于Pe≤Pr，法兰的弯矩M 与Pe 相关，并受到表3 中的M 值的限制，因此，管道位移应力σE只能达到式(7)的水平。

式中，M 数据见表3。如果管道中间有管架，上述情况不适应整根管道，仅适合法兰附近的管段。

7 外载的限制及减载措施

7.1 外载的限制

外载的限制就是要避免剧烈外载:与外载相当的压力Pec大于法兰压力裕量Pr，就定义为剧烈外载。按式(8)限制外载:

对于A1 类流体管道的法兰，最好控制Pec≤0.9 Pr。

有的柔性计算软件会提供Pec＞Pr的信息，具有法兰安全防护的作用。但对于部分管道，可能不做柔性计算，设计者宜重视Pr值的验算，设法防止Pec＞Pr的发生。

7.2 减载措施

(1)改变管道布置，增加柔性，减小外载，同时配以支架类型、位置的合理设计。管道靠近法兰部分柔性好，位移应力较低;无法兰部分位移应力可以提高，做到位移应力分配合理。

工程中，有的限位支架运行效果很好，如后面8.2 的实例。

(2)管道布置不变，仅增加限位支架。靠近法兰附近需直线段，但有时生根困难，不易实现，对于管径较大的法兰，承受外载也较大，宜结合修改管道布置的措施。

(3)外载不变的情况下，提高法兰的公称压力PN，增加压力裕量，使Pec＜Pr。另外，还有特殊的情况，就是法兰提高PN 后，由于经济及管道布置修改困难等原因需要保留较低档的法兰，形成一个管道等级内同管径有两项PN 不同的法兰，即二选一。较高档的法兰，可作为该等级的特定法兰。在轴测图中应以件号表示法兰，避免施工错误。这种二选一的做法建议尽量少用。

如修改管道布置及管架设计可以减载时，不宜采取提高PN 的措施。除非压力裕量过低。

从前述及表4 可看到，DN ＜40 管道，法兰PN有时比大管高一档，应属正常。

提高PN 的做法，如法兰PN 为二选一，需满足与设备管口及组成件法兰相连接的一致性。注意与采购环节有关。

采购带法兰的组成件，本体按设计压力、温度的条件，法兰的PN 及外载属于连接的条件，这样更经济合理。

8 管架设计对法兰防护的作用

法兰承受外载有两种情况:①自重产生的弯矩，可加承重架消减外载;②有热/冷位移的管道产生弯矩，采用前述措施减小外载。

8.1 限位支架的要求

(1)用两组A、B 间距为S1的支架承受外载，支架的强度应能承受全部外载，见图1。

图1 限位支架示意图

(2)注意合成弯矩的方位;支承点应与合成弯矩的方位符合。

(3)要有可靠的生根点，刚性要好。

(4)管外覆有加强板，摩擦面平整，间隙合理，例如按Mc的方向，a、b 摩擦面不留间隙，c、d 面应留间隙，间隙应略大于管子径向热胀量。

(5)低温管道，应防止法兰受拉，在A 组处应加承受轴向力的构件。

以上(3)、(4)与支架减载的效率有关，如限位架减效或损坏会危及法兰。另外，如一条管道有多个法兰，应检查各法兰的外载，当两个以上法兰的外载超过允许值，宜修改管道布置减载。

8.2 转动设备接口管道的限位支架实例

透平机管口法兰的受力要求极为严格，可用图2 型式的管架及管道布置进行防护。

图2 动设备连接管道的限位架

图中l1较长，l2较短，仅采用单点限位，可达到好效果。也可用四根铰接拉杆(90°分布)代替图(a)的构架。

9 结语与讨论

(1)法兰有安全防护的问题，为何ASME B31.3 规范［2］没有涉及Pe的应用?国际上知名工程公司在工业管道设计中是否也有同样情况?另外从原理上讲缠绕式垫片弹性好，法兰承受外载可能会与其他垫片不同，对外载的限制也可能存在差异。为了工程设计与国际接轨，有必要了解国际上管理的观点与要求。

(2)焊唇垫片在高压高温的管道上应用，有的国外工程公司早已实现。这是零泄漏的结构，适宜在A1 类流体管道中使用，特别是管径较大的。现在还缺标准，不利于推广应用。

(3)法兰连接的结构是薄弱环节，在发电厂管道［4］的高压高温阀门采用对焊连接，是国外普遍的做法，既安全又经济。今后在工程中，有备用系统的管道，高压高温阀门宜创造条件用对焊连接。

(4)对于未经计算机柔性计算的管道，如能在管道布置走向及管架设计中使法兰附近管段符合管道柔性简化计算的图形，则可按简化计算取得外载数据。采用其他方法，还有待探索。

1 Pipe flanges and flanged fittings ASME B16.5 ［S］.

2 ASME code for pressure piping (process piping)ASME B31.3［S］.

3 ASME Boiler ＆ Pressure vessel code Section III ［S］.

4 联邦德国H. H. 欧德·亨格尔等著，李锡武等译. 发电厂管道［M］. 水利电力出版社，1987.10.

5 HG/T20592 ～20635 -2009，钢制管法兰、垫片、紧固件［S］.