摘要：石油化工裝置高溫高壓易燃易爆，管道法蘭作為常用的連接件，同事也作為潛在的泄漏點，嚴重影響裝置的安全運行，所以正確合理地評定法蘭泄漏尤為重要。本文從理論上講述工程上廣泛使用的具有可行性的快速評定法蘭是否存在泄漏的方法以及應對方法提出一些建議。

　　關鍵詞：法蘭、泄漏、計算、評定

　　法蘭作為主要的管件連接件,用于管子與管子，管子與設備，管子與閥門等等之間的連接，其拆卸方便，便于檢修，從而得到廣泛應用。然而，法蘭是通過墊片與螺栓的預緊力進行密封。墊片的類型，墊片安裝的好壞，螺栓安裝的是否有正確的預緊力，還有因管系走向而對法蘭處造成的外部荷載（主要是軸向力及彎矩）等等因素對法蘭的密封效果有相當的影響，故法蘭泄漏作為一個潛在的泄露點，影響著裝置的安全運行，特別是高溫高壓易燃易爆的工藝介質或深冷易燃介質如LNG，更不允許泄漏。所以法蘭泄露作為一個重要的考慮因素，在石化及LNG接收站工程設計中應給予極度的重視。

　　防止法蘭泄漏通常采用兩種方法：一是通過適當地修改走向，增加柔性，使作用于法蘭處的荷載（外部荷載即法蘭處的力以及力矩）；二是提高法蘭的壓力等級（即法蘭磅值），從而提高了Pr值，使得法蘭承載能力變大，使得法蘭泄漏不發生。

　　對于防止法蘭泄漏有一些經驗的做法，例如一般認為法蘭連接處的應力不大于70MPa便可以接受。實際分析表明，該方法在管徑不大時基本適用，當管徑較大時可能并不偏于保守，因此需要更精確的校核方法。ASME NC-3658給出了三種校核方法，其中第三種方法較為簡便，被廣泛采用，但一般認為該方法具有相當的保守程度，此種方法與HG/T 20645-1998中提到的計算公式是一致的，具體計算公式如下：

　　（公式1）

　　式中  --法蘭在計算下的額定允許值（即設計壓力），MPa

　　--管道的設計壓力，MPa

　　F-- 法蘭承受的拉力（不包括內壓產生的拉力），N

　　M--法蘭承受的合成彎矩，N.m

　　--墊片壓緊力作用的中心圓直徑，近似等于墊片接觸面的平均直徑，詳細定義可參見HG/T 20645-1998的2.3.1節,mm

　　以上的計算的實際上是將管系對法蘭處的力和力矩（即外荷載）折算成當量的壓力，可稱為。、之和再與進行比較，如果其兩者之和小于值，則可從理論上認為，該法蘭不存在泄漏。反之，則認為可能存在泄漏。

　　上述有提到法蘭的泄漏同時也跟現場的安裝好壞有影響，有時候現場在法蘭沒有對中的情況下強行安裝，這已經是等于另外增加了初始的荷載，這種情況無疑是增大了法蘭泄漏的可能性。所以本文所述僅從設計角度進行探討，忽略安裝因素對法蘭泄漏的影響。

　　為了使用起來更方便，國內的很多設計院已將上述的公式做成表格，把相應的參數填好，即可快速評判校核法蘭。為管道設計壓力，可在管道數據表中查詢或由工藝專業提供。則可查ASME B16.5中的壓力-溫度額定值表，HG/T 20592~20635也提供了該表，指定溫度的值可通過內插法計算得出。拉力F和合成彎矩M一般可通過專業的管道應力分析軟件建立管系模型，再進行計算得出。在國際公認的管道應力分析軟件中，CAESAR Ⅱ是應用得最為廣泛的軟件之一，國內應用也非常廣泛。下面將使用CAESAR Ⅱ進行舉例，以詳細說明該公式的應用過程。

　　如上圖1所示，DN450的低壓蒸汽管線，設計溫度280℃，設計壓力為0.7MPa，管子材質為CS。管線上所使用的法蘭類型為突面，150磅，CS, ASTM A105, 相當法蘭標準為ASME B16.5，與之匹配的墊片是帶有外環的纏繞（金屬）填充墊片。

　　根據實際的管道走向，使用CAESAR Ⅱ建立模擬的模型。該低壓蒸汽管線從低壓蒸汽主管引出，回到除氧器中。主管模擬了一段，有導向有限位，確保管線引出點至除氧器此部分管線不再受到主管其它部分管段的影響，此端是合理的邊界條件。低壓蒸汽管線的另一側連接除氧器，模型中也將除氧器模擬進來，除氧器有滑動端與固定端，所以低壓蒸汽管線的另一端同樣已經是合理的邊界條件。至此，該低壓蒸汽管線的模擬是正確合理的。

　　圖2中的node 220，node 230為調節閥的模型單元，調節閥口徑為DN300，為對該調節閥處的法蘭進行校核，需要把法蘭處的荷載顯示出來，故在法蘭節點單元處增設約束，設立cnode節點，220 cnode 221，并給予ANC的約束類型。輸入的環境溫度為2.2℃，計算溫度為280℃，設計壓力為0.7MPa，運行CAESAR Ⅱ進行計算，檢查管線的一次及二次應力均可以通過，再看約束報告，得到的node 220的荷載如下：

　　220Rigid ANC

　　FX=-3973N，FY=11462N，FZ=583N

　　MX=-15724N.m，MY=-4256N.m，MZ=-7636N.m

　　對于法蘭處的來說，node 220點是法蘭的點，node 221是閥門一側的點，node 220 cnode 221可以理解為法蘭對閥門施加的荷載。FX=-3973N，為負值，表示該力與圖中坐標的正方向相反，是趨向于使法蘭螺栓拉伸效應，結果便是趨于把密封面拉開，趨于泄漏的，是一個拉力且影響法蘭密封。而FY與FZ都是使法蘭的螺栓承受剪切效應，是剪力，只對螺栓的強度產生影響，對法蘭泄漏的影響可以不計。

　　MX對此片法蘭來說，是一個扭矩，扭矩主要影響螺栓的截面積，對法蘭泄漏的影響同樣可以不計。MY和MZ則是該法蘭兩個方向上的彎矩，對法蘭的強度及泄漏的影響非常大，起關鍵作用。在使用上述的公式計算時需要對這兩個彎矩進行合成，得到合成彎矩M。兩個向量的合成，采用平方和再開根號。

　　即N.m

　　查HG/T 20610，并結合HG/T 20645中對的定義，計算得到的=346.48mm

　　查ASME  B16.5的壓力-溫度額定值表如下：

　　Table 2-1-1 Pressure-Temperature Ratings for Group 1.1 Materials

　　Group 1.1 Materials 對應材料組里包含了 Forgings A105 與本管道法蘭材料一致。

　　Class 150 這一檔當溫度為250℃時，=12.1bar；300℃時，=10.2bar

　　使用內插法算得280℃的=10.96bar=1.096MPa

　　將=0.7MPa，F=3973N，M=8742N.m，=346.48mm代入公式1

　　公式1右邊等于1.678MPa

　　顯而易見， ，，超標了約53%，因公式1具有相當的保守程度，所以從理論上評判該法蘭可能存在泄漏。此處管道布置已經十分緊湊，改變走向比較困難，且已經超標了53%，故建議此處的調節閥門提高磅值至300磅。

　　通過上述的舉例，說明了對于應力分析管線關于法蘭校核的一般過程。通過公式1我們可以發現，是由外載荷承受的值，實際上就是與的差值。法蘭在選取公稱壓力時通常有20%的余量（相對于管線的設計壓力而言），也就是說外載荷所折算的當量壓力通常不允許超過20%。但有時一些高壓的管線在選取法蘭公稱壓力時往往很接近了臨界值，如果仍20%余量，就會“跳檔”，費用就又增加不少，這時候余量往往少于5%，這無疑對我們的計算造成極大的困難，但正是因為這樣的高壓，我們更要慎重考慮泄漏。上有述及，影響閥門泄漏的因素非常多且很復雜，要對法蘭進行一個完整的精確計算目前尚未有更好的辦法。目前工程公司廣泛采用了公式1，但公式1具有相當的保守程度，無論是修改走向或者是采取增加磅值（尤其是控制閥門）都可能使投資的費用增加不少，從而影響了經濟性。所以有時在評判法蘭是否存在泄漏以及泄漏可能性的大小時仍需要輔以工程經驗。但是如果對于介質為極度危害的流體，筆者認為只要是超標了超過20%，都應該考慮修改走向或者增加法蘭磅值，安全始終是應該擺在第一位。

　　參考文獻

　　[1]唐永進 壓力管道應力分析 中國石化出版社 2003