带压堵漏技术之法兰夹具设计
2017-01-24杨怀奇
杨怀奇
摘 要：介绍带压堵漏技术的法兰夹具结构，详细介绍法兰夹具的设计方法。
关键词：带压堵漏；密封；法兰夹具
中图分类号： TE969 文献标识码： B 文章编号： 1673-1069（2016）35-178-2
1 法兰夹具结构及计算
石油化工行业中，法兰处的泄漏是最为常见的。而法兰夹具的设计合理与否是带压堵漏成功与否的关键。
1.1 夹具结构
法兰夹具的基本结构见下图1。该夹具是由两个半圆形的构件组成，夹具本体经机械加工而成，耳板与夹具采用焊接形式连接，两个构件是用螺栓连接在一起，形成一个整体，最终作为法兰泄漏处的新的密封空腔。
1.2 相关尺寸说明
①夹具的内径D内：原则上等于泄漏的法兰外径，但该尺寸需要通过实际测量确定。因为各生产装置所用的法兰标准种类比较多，又由于法兰制造时的偏差及长期运行造成的金属材料表面氧化等，都影响法兰外径的实际尺寸。所以，夹具的内径D内必须经现场测量法兰外径后确定。
夹具内径D内与法兰外径之间的允许间隙尺寸：包括测量法兰外径误差、夹具制造偏差及其热膨胀量在内，总的间隙量应控制在0.1～0.5mm范围内。允许间隙量的大小与系统压力高低成反比。即系统压力越高，间隙量应越小。
②夹具的外径D外，先要计算出夹具的厚度a（后面详细介绍a的计算公式），D外=D内+2a。
③夹具凸台内径d：为了减少空腔的容积和密封剂的消耗量，同时便于安装夹具，法兰夹具设计成带有凸台的结构。凸台内径以不接触原法兰螺栓为原则，按实际尺寸确定。具体方法是：测量泄漏法兰的外边缘与紧固螺栓之间的最小净距，然后用法兰外径减去该距离的二倍即得到凸台内径d的数值。为了得到较准确的数值，需要在泄漏法兰圆周内测量4～5点，取其中的最大计算尺寸作为凸台内径d的最终数值。
④夹具凸台宽度b：通过对两片法兰之间的间隙进行测量后确定。最少在法兰圆周内测量4～5点，取其中的最小尺寸。
⑤夹具宽度B：以两片法兰的间隙尺寸b为基础，向两侧分别延伸10～20mm。法兰公称直径大，系统压力高，夹具宽度需要相应的加大。
⑥密封剂注入孔：孔数与孔位的配置应尽量减少密封剂在注入区段内的流动距离、减少挤压力对夹具的负荷。孔数等于泄漏法兰的紧固螺栓数。泄漏法兰有多少个螺栓就配多少个注入孔。一般设M12内螺纹与标准注射阀连接，配钻φ4mm密封剂通道。夹具上的注入孔在安装时要放在两个螺栓之间的位置。
⑦耳板定位：夹具耳板焊接在剖分面上5～10mm处，用来连接两片法兰夹具。
⑧夹具厚度a：由后面的强度计算确定。
1.3 夹具计算
1.3.1 受力分析
密封剂在空腔内以最大挤压力p注作用在夹具的内壁，经多点分别注入后，由局部挤压力过渡到均匀分布。另外，还有系统压力以均布载荷同时作用在夹具内壁。由系统压力和单点挤压到均布挤压的合力F可以用以下公式推导。见图2。
∵ 合力F=dF·sinθ
dF=ds·p=dl·B·p=R中·dθ·B·p
∴ 合力F=R中·dθ·B·p·sinθ=2R中·B·p
=D中·B·p（1）
式中ds：单位角度所对应的面积，单位mm2；
p：单位面积上夹具所承受的压力（即压强），单位MPa；
dl：单位角度所对应的弧长，单位mm；
B：夹具宽度，单位mm；
a：夹具厚度，单位mm；
R中：夹具半中径，单位mm；
D中：夹具中径，单位mm；
D内：夹具内径，单位mm。
1.3.2 夹具的紧固螺栓截面计算
夹具是由两个半圆构件组成的，通过螺栓将两侧耳板连接在一起。假设连接螺栓数目为n条，每条螺栓所承受的拉力为T，则两侧紧固螺栓所承受的总拉力nT应与夹具均布内压合力F相平衡。
即 nT=F
T=
螺栓截面积A==（2）
式中，[σ]t——螺栓在t℃时的许用应力，单位MPa。
1.3.3 夹具的厚度计算
为了保证夹具具有足够的强度，应使夹具截面上的应力不高于所用金属材料的许用应力。
即=≤[σ] （3）
式中，S——夹具的截面积，单位mm2。
把（1）式代入（3）式得≤[σ]（4）
式中，[σ]——金属材料的许用应力，单位MPa。
如果夹具的各部分不是整体制造，而是由几块焊接组成，则许用应力要乘以一个与焊缝结构等有关的焊缝系数?。
（4）式变成≤[σ]·?（5）
把D中=D内+a带入（5）式，整理可得夹具的厚度a
a=（6）
由于带温带压封堵泄漏，夹具必然受泄漏介质的温度影响，因此，应把改成金属材料在实际工作温度下的许用应力[σ]t。
最终公式应为a=+C （7）
式中，P——系统压力或密封剂挤压力，MPa，按照《中国石油化工总公司带压堵漏技术暂行规定》及经验，P的选取应按照以下原则确定：系统压力低于7 MPa时，以挤压力为主，P取7 MPa；系统压力大于7 MPa时，按系统压力选取。
D内——夹具内径，单位mm
[σ]t——t℃夹具材料的许用应力，单位MPa
?——焊缝系数，无单位
C——厚度附加量，单位mm
参 考 文 献
[1] 郑新兵.法兰带压堵漏夹具设计浅析[J].石油化工设备技术，2007，01：55-56+61+69-70.
[2] 刘勇.夹具带压堵漏技术的应用研究与改进[J].管道技术与设备，2014，06：29-31.
