针对大型浮式重型设备高压法兰的选用研究

张巍伟，姚康

针对大型浮式重型设备高压法兰的选用研究

张巍伟，姚康

（海洋石油工程有限公司， 天津 300451）

高压法兰的选择和使用对确保大型浮式设备的安全平稳运行具有重要意义。选择合适最佳的法兰，不仅能够降低因设备损坏带来的成本损耗，降低维修成本，同时能提高设备运行效率，增加经济产出。本文首先对不同类型法兰的性状进行了回顾和总结，然后从法兰的材质、密封形式、适配设备等方面详细论述了法兰的选择标准和应用场景，并总结了一般的法兰选择及使用原则。

FPSO法兰选择； 法兰材质； 选择使用原则

随着海洋石油化工行业逐步走向深水，FPSO、半潜平台等深水大型设备的不断涌现，对于大型设备的减重问题也逐步提上日程，特别是管道连接暴露出来的问题，尤为突显。为了满足石化生产的条件，防止安全事故，管道的连接件尤其是法兰的选择，显得尤为关键[1]。法兰的选择是不断提高石化产品生产效率的重要途径之一。现在法兰的形式多种多样，很难选择。因此，本文针对法兰的选择做了简短的分析。

1 法兰的基本描述

在石油化工行业连续生产连接件法兰受内部介质腐蚀、冲刷、温度、压力、震动等因素的影响，会造成难以避免的泄露问题。由于密封面加工尺寸误差，密封元件老化和不可逆变形以及安装紧固件不当或扭矩值不够等原因极易造成法兰的泄露[2-3]。如果不能及时发现和解决法兰泄漏问题，在介质的不断冲刷下会使渗漏迅速扩大，造成泄露、火灾等一系列的安全问题。尤其在日益增多的深水项目，法兰的泄露会造成环境的污染和破坏，造成巨大的经济损失和国际影响。如果是有毒有害、易燃易爆的介质泄漏，极有可能造成人员中毒、火灾爆炸等重大安全事故。

针对FPSO、半潜平台等深水作业的大型设备和船只，由于存在施工人员少、受限空间多、不能动火作业、不能在线更换等因素的制约，法兰的选择需要考虑多方面的因素。在保证安全的情况下，需要考虑浮式设备的重量及通用性，同时也要考虑经济性，故法兰的选择尤为重要。本文针对国际某大型FPSO的设计，阐述法兰的基本选型，为法兰选型提供具体实例。

2 法兰的类型

法兰的形式多种多样。按照法兰石化行业标准可分为：平焊法兰、带颈法兰、对焊法兰、环连接法兰、承插法兰、及盲板等。按照法兰国别标准分可以分为：JIS法兰、ANSI 法兰、国标法兰 、欧标法兰、紧凑型法兰、特殊设计（厂标法兰）等。按照制造标准分可以分为：锻造法兰、铸造法兰、割制法兰和卷制法兰。按照法兰垫片的类型可以分为：弹性密封法兰和塑性密封法兰。按照法兰密封形式可分为：平面法兰、突面法兰、凹面法兰、凸面法兰、槽面法兰、榫面法兰等[4]。

本文主要针对国际通用的ANSI 法兰、紧凑型法兰、特殊设计（厂标法兰）进行详细的对比分析。

3 法兰的选择和使用

3.1 法兰材质选择的原则

研究法兰的选择和使用，应用最佳的选择方案，提高法兰的使用寿命，降低生产的成本和施工成本，降低法兰的泄露概率，同时为保证生产安全，减少甚至避免发生安全生产事故。合理使用材料和密封形式，不断提高生产的经济效益。

在选择法兰材质的问题，通常情况下，法兰的材质要和与之相连的管道、设备等保持一致。在特殊情况下，比如该连接材质价格昂贵，可以保持法兰焊接端和连接端一致，而法兰的其他组成部分可以选用满足要求的其他材质[5]。其次，也可将连接材质设计成法兰。法兰的强度等不满足标准规范的要求，需要更换法兰的材质，但必须满足焊接的要求或者采用非焊接连接的形式。其他特殊情况，需根据工况具体分析。

3.2 法兰及其密封形式的选择和应用

通过科学合理的选择和使用法兰及其密封形式，能够满足正常的生产需要，且有利于提高管系的使用寿命，降低泄露的危险性，更好地完成生产。

选择法兰必须满足相应的标准规定，需要经过科学的设计、加工、焊接等过程，再通过检验，试压密性等手段，保证其安全性。法兰及其密封形式必须具有耐腐蚀，耐冲刷，耐震动，不易泄露，安装简便等的特性。其次，要根据管系特性选择最合适的法兰和密封系统，如高低温管系的选择必须满足温度的要求。长期在高温条件下使用，不存在泄露风险。但在低温条件下，使用的法兰和密封材料，需要经过低温冲击试验，达到试验标准，方可选择使用。

法兰的选择和使用，需与所选连接端的规格相匹配。垫片为密封件，有不同的种类，如石墨垫片、聚四氟乙烯垫片、金属垫片等。选择最佳的垫片，并且要与法兰匹配，才能达到预期的效果。

目前大型浮式重型设备的压力均比较大，多数为10000psi或者更高[6]，故下面将重点针对高压力的法兰和密封产品进行分析。

表1 法兰和密封产品介绍

由于对于常规的石油化工行业ANSI 法兰已经使用多年，经验丰富，鉴于文章篇幅，这里不做介绍。下面主要针对紧凑型法兰和特殊设计法兰进行分析。

标准的对比：由于紧凑型法兰NORSOK L005（压力10000psi以上的标准未公开），需要有资质的厂家进行设计（本文作者已经研究相对应的通用图纸和设计规范，会在后续论文中阐述），但是相对很多法兰厂家，这种法兰可以通过有限元等设计，而且不同厂家生产的密封产品是可以互通，基本上算标准产品。

特殊设计的法兰，标准均为厂家独立研发，专利产品，在专利期间其他厂家无法得知具体的参数和设计规范，通用性很差[7]。

密封形式的对比：ANSI和紧凑型法兰的密封均为塑性密封，虽然紧凑型法兰为双重设计的密封，但是垫片为塑性密封，多次使用需要更换垫片。

特殊设计的法兰，基本上均为弹性密封，只要密封面保护完整，使用得当，没有经过过多的摩擦，垫片和反复使用，而且均为双重机械密封。

双重密封的定义为：第一道密封为预紧密封，第二道密封为内在压力密封，具体情况可见下面的图解。即管道内部的压力作用在密封圈上，造成一定的压力，促使密封面进行密封，保证密封的可靠性。

图1-3展示几种法兰装配前后及工作状态的对比图

紧凑型法兰：

图1 紧凑型法兰装配前后及工作状态

ANSI法兰：

图2 ANSI法兰工作状态

特殊设计法兰：

图3 紧凑型法兰装配前后及工作状态

使用情况的对比：ANSI和紧凑型法兰使用条件较少，应用比较广泛[8]。但是在特殊情况下，比如压缩机的进出口、高温高压的系统、介质摩擦力较大的系统，ANSI比紧凑型法兰更容易出现泄露。

特殊设计的法兰由于通用性差，基本上都是为了特殊工况下而设计的，由于双重密封和弹性密封的特殊设计，促使该法兰及其密封产品可以在震动管系、高温高压管道的表现尤为突出。

3.3 法兰综合选用原则

目前世界范围内，工程规模越来越大，工程持续周期越来越长。大部分工程为通用系列规格，它们的使用环境相近，通用设备之间又比较近。为了方便后期维护，在管道设计和施工阶段，需要密切关注和考虑法兰泄露的后续维护工作[9]。

经过本文的论述，一般情况下，尽量选用通用性比较好、更换垫片比较容易的法兰形式。鉴于目前紧凑型法兰使用不是很广泛，可以在一些非关键而且容易失效的系统中来选用。而对于关键核心的和不易失效的系统，则应该选用成熟的ANSI法兰。此外，对于超高压系统而言，应该视具体情况而作特殊考虑。

4 结束语

研究和分析石油化工管道法兰，选择最佳的法兰材质和形式，对提高管道的使用寿命，满足石油化工生产的技术要求及生产任务有着重要意义。在管道使用过程中，应加强对管道系统的管理，进行日常的维护保养以及定期的维护处理，才能降低设备维修成本、提高设备运转效率、保证管道系统安全平稳地运行，为石油化工业增产增收。

［1］单铁兵.海上供应船旁靠大型浮式平台耦合响应的模型试验研究[J].船舶,2019,30(03):1-10.

［2］罗永智,王治刚,杨斌,李永红.法兰的设计和选用[J].机械研究与应用,2017,30(05):174-176.

［3］张磊,刘伟,王彬权,徐峰,邵颖丽.法兰泄露校核的计算分析[J].现代化工,2017,37(07):214-216.

［4］赵艳艳,韩振,邓寒霜,李筱玲,梁旭华.JX-WG128型压力蒸汽灭菌器法兰泄漏分析及改进[J].广州化工,2017,45(05):97-99.

［5］胥永林, 杨勇. 法兰螺栓镦锻成形工艺研究[J]. 铸造技术, 2017, 38 (02): 419-422.

［6］李长华,仝强,程兆欣,周银生,宋文文,马海龙.紧凑型法兰的优势及在海洋石油工程中的应用前景[J].中国造船,2012,53(S2):60-64.

［7］李春涛,徐福胜,周伟光.特殊形状法兰的有限元分析[J].中国新技术新产品,2011(05):4.

［8］阴生毅, 孟庆森, 杨茂. 大型法兰泄露的带压封堵[J]. 粘接, 1999 (03): 41-42.

［9］厉学臣.法兰螺栓材质的选择搭配与密封可靠性[J].石油化工设备技术,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

张巍伟（1985-），男，工程师，天津市人，2008年毕业于河北工业大学机械设计制造及其自动化专业，研究方向：海洋石油工程，从事海上油气技术工作。

TH134

A

1004-0935（2020）05-0529-04