压力管道设计中法兰校核方法探讨.pdf
《压力管道设计中法兰校核方法探讨.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《压力管道设计中法兰校核方法探讨.pdf(5页珍藏版)》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、第8 期 一 5一 压力管道设计中法兰校核方法探讨 张旭 ( 福 陆 ( 中国)工程 建设有限公司 , 上海 2 01 1 O 3 ) 摘要分析了压力管道设计中选择法兰常用的工程方法,指出其方法的不足,通过分析和实例,提出了同时考虑法兰强 度和预判法 兰泄 漏的工程 方法。 关键词法兰;当量压力;应力计算;剩余强度;泄漏预判 在压力管道设计 中,经常遇到需要对法兰进 行强度和刚度校核 的问题 。法兰是少数需要 同时 兼顾应力和应变 的管道部件之一 。法兰连接 的设 计涉及到法兰本身 、垫片 、螺栓及许用值确定等 因素 ,特别是在介质有毒有害 的情况下 。在一定 的管道尺寸和压力 以及温度组合条
2、件下 ,刚度校 核就更有必要 。 在现代石化工程 设计 中常用 的方法有两类: 当量压力法和应力计算法 。 1 当量压 力法,也称等效压 力法 此法 出自著名工程公司Ke l l o g g ,简单 明了, 已被大量的工程应用证 明具有足够 的安全 性 ,也 为我 国OB f r 2 0 8 0 1 所采用。对于承受 内压和外部载 荷的法兰 ( 如 图1 ),其本质是把轴 向应力控制在 一个非常保 守的范围 内,所有外 部载荷被 认为作 用在垫片上。 轴 向力当量化为作用于垫片上的压力: P I = F ( 4 G ) = 4 F ( G ) (1) 管道弯矩 当量化为作用于垫片上的压力: P
3、 2 - ( 4 M G ) ( n 4 G ) = 1 6 M ( G ) (2) 得出总的当量压力: P e = P + 4 F ( G ) q - 1 6 M ( n G 。 ) ( 3) 以上公式中螺栓力没有反映 ,认为外部载荷 完全作用于垫片之上 ,所得 当量压力与法兰标准 温度压力等级表对照 ,如果小于表 内压力则 为合 格 。此法简单可靠 ,在各工程公司使用 已经三十 多年,甚至在核工业规范NC 3 6 5 8 中也被采用 ,但 是过于保 守。原因在于: ( 1 )外部载荷实际上并不只作用于垫片,外 部载荷在垫片处产生的最大应力是在最外边沿处, 而 由压力产生的应力是均匀分布 的
4、,见图2 所示。 ( 2 )当等级表 内压力作为当量压力作用在法 兰上 ,法 兰和垫 片的应力 并不知 道,即这个许用 压力的保守程度并没有量化反映。 下面 通 过 实例 说 明 。南 京某 项 目详 细 设计 中某工 艺管道 中采用碳钢锻制法兰 ,设计工况 : 设计 压力P d =1 2 8 ,设 计温度 T d =1 8 5 , 由管 路 引起 的外 载 :M= 7 0 7 1 N m,无 外部轴 向力 。 按 当量 压力 法选 择 标准 法兰 有 两个途 径 :一 是 不考 虑 外部 载荷 ,直接 依据 设计 压 力温 度和 材 料分类按照HG2 0 6 2 5 ( 美洲体系) 确 定法
5、 兰等 级为 P N2 0 MP a ( Cl a s s 1 5 0 ) ,这个方法 从上世 纪3 O 年 代 就开 始 在美 国得 到应 用 ,被 大量 工程 实践 证 明有足够 的可靠性 。二是按照公式(1) (2) (3)得 出总的当量压力 ,再对照温度压力等级 表 确定法兰等级为P N 1 1 0 MP a( Cl a s s 6 o o ) 。可 以 看出二者差别很大 ,由于B 3 1 _ 3 并没有对法兰处外 部载荷的处理提 出 明确的方法和公式 ,所 以对于 现 场实际存在 的安全运行的法兰 ,很多在选 定过 程 中并没有考 虑 由管路引起的外部弯矩,可 见按 第 二种方法 处
6、理是过于保守的,并没有考虑 到规 范中温度压 力等 级表本身具有 的安全裕度 ,也 即 法 兰在承受等 级表中许用压力时仍然具有相 当的 剩余强度 以抵抗 外部载 荷 。要量化剩余强度 必须 进 行应力计算,在应力计算法中可 以通过对 比看 到剩余强度。 图 l 作者简介:张旭 ( 1 9 7 0 一), 男, 四川宜宾人, 硕士, 毕业于南 京工业大学,工程师,现任福陆 ( 中国)工程建设有限公司管道 应力 分析工程 师。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m6 一 论文广场 石 油 与 化 工 设 备 2 0 1 0 年第1 3 卷 2 应力计算法 近二十年石化
7、工程 中常用的法兰应力计算方 法是依据AS ME Di v l Ap p e n d i x 2 和AS ME Di v 2 Ap p e n d i x 3 ,实质上都是源 自T a y l o r - F o r g e 方 法 ,我国GB1 5 0 中法兰设计部分也是这个方法 , 不直接考虑作用在法兰上的外部载荷,很 多情况 下外部载荷必须在设计中考虑 ,可 以通过先把外 部载荷转化 为当量压力,再用总 的当量压力代替 设计压力,G B T 2 0 8 0 1 也推荐了这种处理原则 。 该原则主要控制法兰颈部轴 向应力 ,法兰环 径 向应力 ,法 兰环切 向应力 ,表 l 是 以上 例子
8、按 AS ME Di v l 计算所得结果 。 表1 应力计算结果 ( M P a ) 表中:S h 一法兰颈部轴向应力 ;S r 一法兰环 径 向应 力;S t 一 法兰环切 向应力 :S c 一法兰组合 应力 ; 应力 计算 结果 表 明 ,标 准法 兰温 度 压力 等 级的制 定留有充分的剩余强度 ,从法兰强度看 , 即使在 选用 法兰 等级 时不考 虑外 部载荷 ,所 选 P N2 O MP a 法兰也能承受相当的外部荷载 。由于石 化工程 中管路走 向复杂 多变,如果不进行应力计 算只是按照当量压 力确定温度 压力等级 ,在 同一 管路 中往往会 出现相 同管径和 操作温度压力下而
9、采用不 同压力等级法兰 的情况,造成工程成本上 升。正是 由于标准法兰等级提供的剩余强度 ,应 力计算法 即使没直接涉及外部载荷 ,经大量工程 实践证明是可行的。 图2 3法兰剩余 强度分析 3 1 标准法兰 我国HG2 0 6 2 5 及美 国B1 6 5 都没有明确指 出温 度压力等级表 中剩余强度的确定,笔者按照AS ME Di v l ,对P N5 0 MP a ( C l a s s 3 0 0 ) 级标准法兰进行 分析计算 ,温度2 0 0 C,材质2 0 钢 ,垫片为不锈钢 缠绕垫片,螺栓为C r Mo 钢 ,将等级表 中的许用压 力作用其上,分别 以法兰颈部轴 向应力 、法兰环
10、 径 向应力、法兰环切 向应力 以及法兰组合应力和 其许用值为参数得到对比曲线,见图3 6 。 从 图中可 以看出,随着管径增大 ,剩余强度 总的趋势是减少 ,因此在管道设计 中大直径法兰 的选用应该经过应力计算而不是简单地根据 当量 压 力选用 。 从 图中可 以看 出同一级别不同公称尺寸的标 准法兰都有一定 的剩余强度 。此剩余强度可以反 推到等效弯矩 ,以法兰组合应力为控制 因素反推 得到的对于剩余强度的弯矩如图7 ,可 以看出管道 公称直径达到D N6 0 0 时剩余强度对应 的弯矩有很 大 下 降。 图3 图4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m第8 期
11、张旭压力管道设计中法兰校核方法探讨 一 7 1 6 0 1 4 。 1 2 。 伽 芏 l 8 0 6 。 4 。 2 。 0 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 o 3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0 5 0 0 5 5 0 6 0 0 6 s o : 1 4 0 0 0 0 1 2 0 O 0 o 1 0 0 0 0 0 ; 暮8 0 O o o 暂6 0 0 0 0 4 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 j +Pr e s s u r e On l y j ( M p a ) j 一一AI l o w S t r E s 8- j ( Mp a )
12、j 一 P r e s s u r e O n l y :( Mp a ) : ; 一A I l o w S t r 髑 s- l (M p a ) 7 同时还 应指 出,对于锥颈对焊法兰 ,由于法 兰 内径与对焊管子 内径一致 ,所 以剩余强度还受 管子壁厚影响 ,在实践 中,相连管道破坏往往发 生在法兰失效之前。 3 2非标法兰 在 工程 实践中有时会遇到非标法兰设计或校 核 问题 。为 了承受 管道系统施加 的外 部载荷也应 考虑剩余强度 。在各种法兰设计方法 中并没有 明 确规定剩余强度应该取多大,AS ME S E C Di v 1 只是规 定: “ 所设计法兰应该具有足够强度 以承
13、 受外部荷载 ”,我 国的法兰规范没有对剩余强度 作 明确说 明,B1 6 5 也 没有 ,只 有AP I 6 0 5 大 口径碳钢法兰 ,明确规定温度压力等级表 的法 兰应该 能承受与法兰相连管道许用应力 的一半对 应的外部弯矩 。大量实践证 明,这个规定是保守 可行 的,对管道系统 中非标法兰 的设计也可 以引 用 。由于按应力计算法 ,法兰尺寸主要 由压力控 制 ,所 以对非标低压法兰 的设计 ,要特别注意外 部弯矩的作用。 4关于法 兰泄漏的预判问题 泄 漏 是法 兰 在应 用 中最 主 要 的失 效 形式 , AS ME V 8 D i v 1 所提 出的应力计算过程只是关于强 度校
14、核 的,并没有涉及到法兰泄漏校核 的刚度分 析。也就是说,即使强度校核完全满足要求,也 不能在理论上保证不发生泄漏 。现代石化工程规 模越来越大 ,管道布置设计工作量很大 ,工程进 度 往往要求材料 采购在设计完成之前进行,对法 兰压力等级的确 定在控制成本的前提必须有一定 的安全裕度 ,所 以定量预测法兰在外部弯矩 作用 下的泄漏情况具有现实意义。 法兰泄漏是个复杂 问题 ,涉及 到法兰形 式、 等 级、垫片、螺栓 以及相对刚度 、预紧应 力、法 兰温度梯度、外部载荷等因素 ,所 以预测在 操作 工 况,外 部载荷 的作用下法 兰泄漏是困难 的,一 直缺 少一个 统一的简单适用的工程方法,下
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 压力 管道 设计 法兰 校核 方法 探讨
限制150内