运用ASME法进行法兰泄漏分析

崔艳红,冉庆富，王 乾

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

法兰连接的管道在生产中较为常见，在使用过程中，由于所连接的管道或设备产生的外力和力矩可能会导致泄漏，泄漏一旦发生，轻则浪费原料并污染环境，重则可能产生爆炸。文章结合法兰密封的原理和影响泄漏的因素分析法兰泄漏的原因，采用ASME B&PVC规范Ⅷ-1中的法兰泄漏分析，通过CAESARⅡ软件对法兰泄漏进行校核，以提供抑制法兰泄漏的方法。

1 法兰密封泄漏

生产中在螺栓上施加扭矩后，法兰密封面与垫片之间会产生压紧力，使垫片表面产生变形则可以填充法兰密封面的微观间隙，堵塞了法兰连接面的泄漏通道，当介质通过密封面的阻力大于法兰密封面内外的压差时，泄漏通道被阻断，实现了法兰连接面的密封。

由于法兰连接泄漏是由法兰密封不足导致，因此，分析法兰密封原理和法兰泄漏发生原因，对于防止法兰泄漏的发生具有较大的现实意义。

1.1 法兰泄漏的原因

法兰连接处的密封主要是通过螺栓预紧力、垫片柔性填补等进行实现，在工程实践中，认为管道连接法兰泄漏的主要原因通常有以下几个方面[1]：

由于法兰、螺栓和垫片质量问题及腐蚀造成泄漏；由于长期处于压力状态，垫片会发生老化导致回弹力下降等造成泄漏；由于管道发生振动或发生变形，导致螺栓可能发生松动，出现泄漏；由于管道介质温度较高或较低，在温差效应下产生热膨胀等，造成法兰连接螺栓长度伸长或变形，导致泄漏；安装时出现压力偏差，螺栓松紧不一，法兰对中偏移，会导致管道在运行状态下发生泄漏。

综合分析可以发现，法兰泄漏的根本原因在于法兰本身性能、螺栓性能和垫片性能，同时管道受到外力会发生变化及安装精度也将影响法兰泄漏。

法兰连接处一旦发生泄漏将对整个工业安全生产产生影响，因此避免发生泄漏是非常必要的，尤其对于石油天然气等易燃、易爆和有毒的气体和液体更是如此。

1.2 法兰泄漏形式

法兰连接处的泄漏主要有两种形式：渗透泄漏和界面泄漏(示意图如图1)。渗透泄漏是通过垫片本身存在的微小泄漏间隙进行泄漏；界面泄漏是通过法兰与密封垫片之间的接触面间的微小泄漏通道进行泄漏[3]。

图1 泄漏形式示意图Fig.1 Diagram of leakage form

渗透泄漏是指通过密封垫片的泄漏，一般与介质的工作压力有关，压力与泄漏量成正比关系。另外还与密封材料的性质和介质的物理特性有关。通常粘性较大的介质发生渗透泄漏的可能性较小，主要是由于粘性大的介质产生的阻力较大，流动性相对较差，不易在有微小间隙的密封面处发生渗透。

界面泄漏是指通过密封面间的泄漏形式，是法兰连接面泄漏的主要途径。在生产过程中，经常会出现螺栓在拧紧时发生伸长变形的情况，同样拧紧力不足、法兰密封面光洁度不够、管线振动等也会导致密封面的密合度不足。

1.3 垫片对法兰密封的影响

垫片的压缩性和回弹性是法兰密封的必要条件。垫片在长期使用过程中也会出现材料变质、老化现象，引起塑性变形，导致回弹力降低等问题，造成垫片密封面与法兰密封面密合不严而发生泄漏，可见垫片的性能也是产生界面泄漏的原因。垫片的变形包括弹性变形和塑性变形。弹性变形产生的回弹性将填补因内压等因素引起的相连法兰面的分离，达到连续接触密封的作用。塑性变形将为法兰面的粗糙不平提供必要的补偿，填补不平度带来的泄漏间隙。

2 基于CAESARⅡ的法兰密封泄漏分析原理

文章介绍基于软件CAESARⅡ中的法兰泄漏校核的主要方法，意在为后面软件计算模拟分析提供理论指导。在软件中可采用当量压力法，NC3658.3法和ASME B&PVC规范Ⅷ-1卷附录2法三种方法，以下通过理论分析，着重介绍ASME B&PVC规范Ⅷ-1卷附录2法在软件中的使用，通过分析以了解其科学性和合理性，为实际模型的分析做好前期准备。最终，将这些理论与实际的应用相结合，为实际的工程实践应用提供帮助。

2.1 当量压力法(Peq法)简介

当量压力法是进行法兰一般性泄漏校核的主要方法之一。此方法认为所有的外部载荷作用于垫片上，根据力学关系推导将法兰端面处承受的轴向力与弯矩等外载荷转换为当量压力值，再将当量压力值与设计压力值相加，以得到作用在法兰上的总压力，最后将总压力与ASME B16.5标准中的法兰材料相关的温度压力表格中的许用压力进行对比。理论上认为，当总压力小于标准中给定的许用压力时，就不会泄漏；否则，将会发生泄漏。

2.2 NC 3658.3方法简介

NC3658.3法又称为最大屈服强度法，是ASME B&PVC-Ⅲ中的方法，此方法认为管道介质内压和由管道受外力变形所产生的力矩均作用在螺栓上，当螺栓发生变形甚至破坏时，法兰连接处将发生泄漏。同样认为，法兰在不同条件下计算出的屈服强度应小于该材料的法兰相应条件下的许用屈服强度，此时法兰不会发生泄漏。

2.3 ASME B&PVC规范Ⅷ-1卷附录2法分析原理

此方法是ASME锅炉及压力容器规范卷Ⅷ-1[2]中的方法，它应用在带垫片的螺栓法兰和法兰连接件的设计规则中，在分析法兰连接受力情况时，考虑法兰端部静压载荷和垫片压紧力。分为许用应力校核和法兰刚度校核。

(1)许用应力校核。

此方法是通过对法兰连接在两种工况(操作工况和预紧工况)下的受力情况进行分析，确定起决定作用的一种工况，然后根据以下公式组(式(1)计算出其颈部纵向应力SH、法兰径向应力SR、法兰切向应力ST、最大平均应力SC和螺栓应力，计算值与ASME B16.5中的法兰材料相关的温度压力表格中许用压力进行对比。结果小于1时满足条件既不发生泄漏，大于1时则不满足条件，会发生泄漏。

(1a)

(1b)

(1c)

(1d)

螺栓应力W/Ab≤[Sb]

(1e)

Y为与K有关的系数，Z为与K有关的系数，可在标准ASME VIII Division I中查找。

(2)法兰刚度校核。

当法兰以许用应力极限值进行设计时，可能同时会出现由于法兰刚度不足而导致泄漏的问题，因此还需考虑法兰刚度对法兰泄漏的影响。通常在CAESARⅡ中输入法兰基本参数及工况条件，计算得出刚度系数J，根据标准要求，当J>1时，应适当增加法兰厚度或提高法兰磅级，以使得刚度系数J满足小于等于1的要求[4]。但仅使用刚性指数J不能保证泄漏率在规定的限度内，此系数的使用必须仅作为系统接头设计和装配要求的一部分来考虑，需结合其他方式共同计算。

3 法兰泄漏模型分析

文章结合以上理论分析，通过实际模型利用软件CAESARⅡ进行模拟计算，找到适合于工程应用的方法，并分析影响法兰泄漏的主要因素，为以后的法兰设计提供可靠的参考依据。同时也通过模拟分析，为以后进行法兰泄漏计算分析提供分析步骤。

3.1 模型基本设计参数

选取某项目中PSV系统的管线，其管道模型图如图2,PSV系统的流体处于高压、高流速状态，管径相对较大，且连接复杂，易发生泄漏，应对其中的法兰进行泄漏分析。基于特殊工况分析的ASME Ⅷ-1卷附录2法选择典型法兰连接进行分析，可以验证ASME法分析更准确，通过这种方法，能分析出关键部位法兰在工况复杂时的受力情况，以PSV系统管道模型为基础，结合表1和表2中的参数进行详细介绍。

图2 PSV系统管道模型Fig.2 Pipeline model of PSV system

表1 管道设计参数Tab.1 Pipeline design parameters

表2 法兰设计参数Tab.2 Flange design parameters

3.2 基于ASME B&PVC规范Ⅷ-1卷附录2法的泄漏分析

法兰材质为A182 F304/304L；螺栓材料为A320-B8M CL2；法兰磅级为CL150，端面形式RF；垫片采用不锈钢石墨缠绕垫。

将上述基础数据输入软件，进行模拟分析计算，得出CL 150法兰分析结果，如表3～表5。

表3 不同法兰模型的安全系数总汇Tab.3 Summary of safety factors of different flange models

表4 法兰刚度系数Tab.4 Flange stiffness coefficient

表5 法兰和螺栓应力(kPa)Tab.5 Flange and bolt stress(kPa)

要防止法兰的泄漏，前提条件就是要保证法兰本身能满足强度和刚度要求。如果法兰不能满足这些要求，在运行的过程中可能会使法兰整体发生破坏，这样将产生更加严重的后果。通过采用ASME法分析可以看出。

(1)垫片是影响法兰泄漏的一个主要方面，尤其是垫片的弹塑性变形性能对防止法兰的泄漏更是重要，软件中内嵌的垫片的计算分析，通过分析垫片在载荷工况下的变形情况，确定垫片的弹塑性能是否满足防止泄漏的要求，由表3结果看出，在此条件下，垫片的影响满足抑制法兰泄漏的要求。

(2)根据2.3公式组刚度系数计算公式，计算出的法兰刚度系数如表4所示，操作状态下和预紧状态下的刚度系数均小于1.0，满足规范中对法兰刚度的要求。

(3)根据2.3公式组计算法兰在三个方向上的应力情况，由表5的计算结果看出，预紧状态下的法兰径向应力，操作状态下的最大平均应力和操作及预紧状态下的螺栓应力均未通过，它们均超过了相应条件下的许用应力，可以判断此法兰强度不能满足要求。

(4)此方法对法兰的螺栓应力进行分析，校核螺栓是否能达到许用应力要求的范围。螺栓的预紧应力对抑制法兰的泄漏起着重要的作用，预紧力过小将不能起到密封的作用，过大将会使垫片被压垮。由表5的结果可看出，在操作和预紧状态下的螺栓应力均超过了许用应力，因此，螺栓不能满足要求。

通过以上分析可以看出CL 150法兰虽满足刚度要求，但是不能满足法兰强度要求，会发生法兰泄漏，因此，考虑提高法兰磅级至CL 300进行计算，其他条件不变，计算结果如6～表8。

表6 关于不同法兰模型的安全系数总汇Tab.6 Summary of safety factors for different flange models

表7 法兰刚度系数Tab.7 Flange stiffness coefficient

表8 法兰和螺栓应力(kPa)Tab.8 Flange and bolt stress(kPa)

由表6～表8可以看出，CL 300的法兰在此方法下，法兰强度校核、刚度校核和垫片的回弹性分析以及螺栓的强度校核均满足要求。因此，根据这种分析方法，当前工作条件下的法兰应选用CL300的标准法兰。

ASME Ⅷ-1卷中的方法，严格说是一种法兰设计方法，由上述分析过程可以看出，此方法分析较为严谨，对法兰连接的所有相关内容均进行了规定，规范中要求法兰颈部纵向应力、法兰径向应力、法兰切向应力和最大平均应力应小于相应的规定值，法兰的刚度系数也应不大于1.0，垫片的选用也包括在内。这种方法对法兰连接的所有元件进行综合分析，较为全面地保证了法兰在强度、刚度，垫片在压缩回弹性能以及螺栓强度的安全性。总体来说，是较为贴近实际的一种分析方法。

4 结论

通过采用ASME B&PVC规范Ⅷ-1卷附录2法分析，可以得出ASME方法要求法兰的轴向、径向、环向和组合应力、垫片的压缩回弹性能以及螺栓的轴向应力均不能超出许用值，此方法分析较为全面，理论上也更加完整，可更加有效保证法兰连接结构的安全运行。虽其工作量相对较大，但在复杂环境工况下此种分析是必不可少的，尤其适用高温、高压工况或极度危害介质工况，均可采用ASME方法进行法兰泄漏校核或法兰选型，因此认为此方法具有更高的安全性和良好适用性。

在保证法兰本身性能满足的前提下，法兰连接密封性的主要影响因素是垫片的性能以及在安装过程中螺栓预紧力的控制，通过以上分析，抑制法兰泄漏的方法主要从以下几方面考虑：(1)选用法兰强度、刚度合适的法兰；(2)必要的垫片的回弹性分析；(3)螺栓的强度校核；(4)安装时要控制预紧力的大小。