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承受外載管道法蘭的安全防護(hù)

文檔作者：鄭茂鼎文檔來源：中國寰球工程公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年07月17日
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鄭茂鼎 承受外載管道法蘭的安全防護(hù)
承受外載管道法蘭的安全防護(hù)
鄭茂鼎 中國寰球工程公司 北京100012
摘要 從管道設(shè)計方面研討受外載法蘭安全防護(hù)的要點、法蘭選用、外載限制、減載措施及柔性計算要求等
有關(guān)問題。
關(guān)鍵詞 當(dāng)量壓力 壓力裕量熱／冷位移柔性計算法蘭外載劇烈外載
管系法蘭的安全問題，美國法蘭標(biāo)準(zhǔn)中有提
示：“高溫和低溫條件下，使用法蘭要避免在管道
或設(shè)備連接處因受外力和力矩而引起泄漏的危險。
還提出當(dāng)大于200~C條件使用CL 150(150psi級)
法蘭可能產(chǎn)生泄漏，除非注意避免劇烈的外載和
溫度變動。對于400cC以上使用其它壓力級的法蘭
時，也應(yīng)考慮同樣問題。”¨
高溫法蘭在初運行中發(fā)生泄漏時，有的進(jìn)行
降壓，把緊螺栓、再升壓，可以恢復(fù)正常運行。
如后來不再泄漏，可能是安裝問題。本文重點討
論法蘭承受外載有關(guān)的設(shè)計問題。在溫度沒有變
動的情況下，主要應(yīng)避免劇烈的外載。而外載的
大小，與管道布置、支架設(shè)置、管徑及柔性計算
密切相關(guān)，如何避免劇烈外載，這是法蘭防泄漏
的要點。
1 法蘭的當(dāng)量壓力P。的計算
根據(jù)(ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范》第1II部
分P 的計算公式：
P = 訂G +箋訂 (、 1)
式中，P 為法蘭的當(dāng)量壓力；M為附加彎矩；F
為附加軸向力(受壓時可不計)；G為墊片有效
直徑 。
有熱／冷位移的管道(本文指設(shè)計溫度<一>100~C的范圍)，法蘭承受外載可換算為
當(dāng)量壓力Pe，式(1)中，用于低溫管道應(yīng)計人軸
向力。關(guān)于墊片的有效直徑，可按所示文獻(xiàn)要求
計算。
2 法蘭設(shè)計與選用中的P
(1)如果是設(shè)計特殊法蘭，工作壓力P 與
鄭茂鼎：教授級高級工程師。從事管道設(shè)計工作四十年。
P。之和，就是法蘭的設(shè)計壓力。此時，設(shè)計壓力
應(yīng)大于1．1Pw。按法蘭的設(shè)計壓力、溫度核算相應(yīng)
的公稱壓力PN，應(yīng)高于該管道等級按最嚴(yán)重條件
確定的法蘭PN。
(2)如果是選用標(biāo)準(zhǔn)法蘭，法蘭的PN應(yīng)符合
該管道等級按最嚴(yán)重條件確定的法蘭PN。一般情
況，管道的設(shè)計壓力是工作壓力的1．1倍，特殊情
況按管道規(guī)范確定。
對于有熱／冷位移的管道，法蘭承受外載等于
當(dāng)量壓力P ，有時需要提升法蘭的PN。
3 法蘭的壓力裕量
在法蘭標(biāo)準(zhǔn)中，PN／CL對應(yīng)的壓力與溫度額
定值是許用的壓力與溫度。可按式(2)、(3)計
算壓力裕量。
P =1．1P
P．=PaL—P
(2)
(3)
式中，P為管道設(shè)計壓力；P 為管道工作壓力；
P 為法蘭壓力裕量；P札為法蘭許用壓力。
選用法蘭的PN，有提檔和套檔，在壓力額定
值中，含有壓力裕量P 。
有熱／冷位移的管道，法蘭公稱壓力PN不低
于20bar，且應(yīng)避免壓力裕量過低。法蘭承受外載，
需要適量的壓力裕量，以防法蘭產(chǎn)生泄漏。
4 驗算法蘭的壓力裕量
對于有熱／冷位移的管道，在選用法蘭的PN
時，建議及時用式(3)計算Pr值，并按表1舉例
匯總有關(guān)數(shù)據(jù)及結(jié)果，供后續(xù)設(shè)計工作使用。
從表1可看到PN套檔對產(chǎn)生P 值的影響很
大。序號1法蘭P 的值太小，屬于壓力裕量不足
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26 CI-~MICAL ENGINEERING DESIGN 化工設(shè)計2015，25(1)
注：④ 許用壓力按HG法蘭標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)；② 按工程規(guī)定填寫。
的法蘭。對于這種法蘭，除非管道布置時可相應(yīng)
減小外載，否則PN應(yīng)提高一檔。建議在管道等級
編制過程中，發(fā)現(xiàn)法蘭P 值較小，可采取措施，
如PN為20或CL．150，可考慮將PN提高一檔；
CL／PN更高的法蘭，由于檔差較大，是否提檔，
由設(shè)計者考慮。
對于未提檔的P <20bar的管道，需注意防
護(hù)，宜安排盡早進(jìn)行柔性計算，取得外載的數(shù)據(jù)，
以便于后續(xù)工作。
一個管道等級內(nèi)有多條管道時，一般按最嚴(yán)
重條件選用法蘭的PN，但各條管道設(shè)計壓力、溫
度不同，P 也不同。表2為碳鋼PN 20法蘭的P
值，可作為選定最低PN之用。表2中可知，
Ck 150或PN 20碳鋼法蘭在溫度>200~C或工作壓
力大于5bar時，絕大部分壓力裕量P 都不足，應(yīng)
選用不低于PN 40的法蘭。
及時驗算法蘭壓力裕量的好處：
(1)發(fā)現(xiàn)需注意防護(hù)的法蘭，及時采取措施。
(2)合理安排柔性計算的計劃。
(3)通過實踐積累法蘭所需P 值的經(jīng)驗。
表2 碳鋼CL．150／PN 20法蘭的壓力裕量P (bar)
1 1．1 16．6／13．7 14．7／13．3 12．7 ll 9．1 8．2 7．3 6．3 5．4 4．4
2 2．2 15．5／12．6 13．6／12．2 11_6 9．9 8 7．1 6．2 5．2 4．3 3．3
3 3．3 14．5／11．5 12．5／11．1 1O．5 8．8 6．9 6 5．1 4．1 3．2 2．2
4 4．4 13．3／10．4 11．4／10 9．4 7．7 5．8 4．9 4 3 2．1 1．1
5 5．5 12．5／9．3 10．3／8．9 8．3 6．6 4．7 3．8 2．9 1．9 1
6 6．6 l1．1／8．2 9．2／7．8 7．2 5．5 3．6 2．7 1．8 0．8 一 一
7 7．7 10／7．1 8．1／6．7 6．1 4．4 2．5 l_6 O．7 —
8 8．8 8．9／6 7／5．6 5 3．3 1．4 0．5 —
9 9．9 7．8／4．9 5．9／4．5 3．9 2．2 0．3 ———
注：表中有左右二值者，左側(cè)用于ASME B16．5法蘭；右側(cè)用于HG法蘭。
5 法蘭外載與Pe的關(guān)系值
法蘭外載與Pe數(shù)值間的關(guān)系，按式(4) ～
(5)計算，用纏繞墊的法蘭，關(guān)系值見表3。
'iTG。P
。
=
lP (4)
F=7．854(； P。=F1P (5)
式中，M為合成彎矩，N—m；F為軸向力，N (受
壓可不計)；P 為法蘭當(dāng)量壓力，MPa；C為墊片
有效直徑，cm；M 為P =1時的合成彎矩，N—
m；F1為P。=1時的軸向力，N。
工程設(shè)計中，從柔性計算得到法蘭承受的外
載M。與F ，可按公式(6)計算當(dāng)量壓力Pec值。
更進(jìn)一步，如果管道設(shè)計者根據(jù)本文的方法，
按工程中常用墊片尺寸，預(yù)先算出M1與F1的數(shù)
據(jù)，并列在一個表內(nèi)，那么只需用公式(6)即可
簡捷地算出各種常用法蘭的當(dāng)量壓力。
F
P (6)
? l — J
式中，P 為柔性計算法蘭的當(dāng)量壓力，bar；M
為柔性計算法蘭處的合成彎矩，N—m；F 為柔性
計算法蘭處的軸向力，N (受壓可不計)。
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2015，25(1) 鄭茂鼎承受外栽管道法蘭的安全防護(hù) 27
注：① F數(shù)據(jù)僅用于低溫管道，常溫以上的管道可不計；② 計算按HG標(biāo)準(zhǔn)美系法蘭RF面，最高PN的纏繞墊尺寸[引。③ 其他法蘭
標(biāo)準(zhǔn)及墊片的數(shù)據(jù)，請讀者另行計算。
6 法蘭P 與管道 E的關(guān)系
如果管道兩端有法蘭，中間沒有管架，管道
的位移應(yīng)力水平會受法蘭的制約，很難提高。
法蘭當(dāng)量壓力P 值與承受外加彎矩M的關(guān)
系，如換為與管道位移應(yīng)力范圍or 的關(guān)系，便于
了解管道柔性需達(dá)到怎樣的水平。P 與盯 的關(guān)系
見表4和表5。總結(jié)有三點：
(1)法蘭承受外加彎矩的能力比管子差，要
求管道柔性計算的盯 在低的水平上。
P。越大。要求P 和PN也要更大。
(3)P 形成與DN無關(guān)，但法蘭承受外載能
力與DN有關(guān)。同樣的131" 值，小管對應(yīng)的Pe比大
管大，要求P 和PN也要更大。DN200—600其叮
水平比較接近。
舉例說明：DN200、Sch．80管子，P =20bar
時，叮 的水平已不高了，叮 =140bar，只有許用位
移應(yīng)力范圍的7％ ～8％ ；如P。=lObar時，此值只
有一半。這說明P <20bar需要管道的柔性很高，
(2)同樣的(1rE值，管子壁厚越厚，對應(yīng)的 對管道布置的要求也很高。具體數(shù)據(jù)見表4和表5。
表4 法蘭當(dāng)量壓力P 與管道位移應(yīng)力范圍叮 的關(guān)系(bar)
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28 CHEhⅡCAL ENG咖ERING DESIGN
表5 管子單位位移應(yīng)力的彎矩值
DN
O"E 1bar時彎矩M p(N—m)
Sck 40 Sch 80
由于P。≤P ，法蘭的彎矩M與Pe相關(guān)，并受
到表3中的M值的限制，因此，管道位移應(yīng)力仃
只能達(dá)到式(7)的水平。
≤ (7)
式中，M數(shù)據(jù)見表3。如果管道中間有管架，上述
情況不適應(yīng)整根管道，僅適合法蘭附近的管段。
修改管道布置的措施。
(3)外載不變的情況下，提高法蘭的公稱壓
力PN，增加壓力裕量，使P P 的信息，具
有法蘭安全防護(hù)的作用。但對于部分管道，可能
不做柔性計算，設(shè)計者宜重視P 值的驗算，設(shè)法
防止P >P 的發(fā)生。
7．2 減載措施
(1)改變管道布置，增加柔性，減小外載，
同時配以支架類型、位置的合理設(shè)計。管道靠近
法蘭部分柔性好，位移應(yīng)力較低；無法蘭部分位
移應(yīng)力可以提高，做到位移應(yīng)力分配合理。
工程中，有的限位支架運行效果很好，如后
面8．2的實例。
(2)管道布置不變，僅增加限位支架。靠近
法蘭附近需直線段，但有時生根困難，不易實現(xiàn)，
對于管徑較大的法蘭，承受外載也較大，宜結(jié)合
法蘭承受外載有兩種情況：① 自重產(chǎn)生的彎
矩，可加承重架消減外載；② 有熱／冷位移的管道
產(chǎn)生彎矩，采用前述措施減小外載。
8．1 限位支架的要求
(1)用兩組A、B間距為s 的支架承受外載，
支架的強(qiáng)度應(yīng)能承受全部外載，見圖1。
一1
／
面
圖1 限位支架示意圖
(2)注意合成彎矩的方位；支承點應(yīng)與合成
彎矩的方位符合。
(3)要有可靠的生根點，剛性要好。
(4)管外覆有加強(qiáng)板，摩擦面平整，間隙合
理，例如按M 的方向，a、b摩擦面不留間隙，c、
d面應(yīng)留間隙，間隙應(yīng)略大于管子徑向熱脹量。
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鄭茂鼎 承受外栽管道法蘭的安全防護(hù) 29
(5)低溫管道，應(yīng)防止法蘭受拉，在A組處
應(yīng)加承受軸向力的構(gòu)件。
以上(3)、(4)與支架減載的效率有關(guān)，如
限位架減效或損壞會危及法蘭。另外，如一條管
道有多個法蘭，應(yīng)檢查各法蘭的外載，當(dāng)兩個以
上法蘭的外載超過允許值，宜修改管道布置減載。
8．2 轉(zhuǎn)動設(shè)備接口管道的限位支架實例
透平機(jī)管口法蘭的受力要求極為嚴(yán)格，可用
圖2型式的管架及管道布置進(jìn)行防護(hù)。
(a)立面 (b)拉桿平面
圖2 動設(shè)備蓮癱管道的限位架
圖中l(wèi) 較長，l：較短，僅采用單點限位，可
達(dá)到好效果。也可用四根鉸接拉桿(90。分布)代
替圖(a)的構(gòu)架。
9 結(jié)語與討論
(1)法蘭有安全防護(hù)的問題，為何ASME
B31．3規(guī)范 沒有涉及P 的應(yīng)用?國際上知名工
程公司在工業(yè)管道設(shè)計中是否也有同樣情況?另
外從原理上講纏繞式墊片彈性好，法蘭承受外載
可能會與其他墊片不同，對外載的限制也可能存
在差異。為了工程設(shè)計與國際接軌，有必要了解
國際上管理的觀點與要求。
(2)焊唇墊片在高壓高溫的管道上應(yīng)用，有
的國外工程公司早已實現(xiàn)。這是零泄漏的結(jié)構(gòu)，
適宜在A1類流體管道中使用，特別是管徑較大
的。現(xiàn)在還缺標(biāo)準(zhǔn)，不利于推廣應(yīng)用。
(3)法蘭連接的結(jié)構(gòu)是薄弱環(huán)節(jié)，在發(fā)電廠管
道 的高壓高溫閥門采用對焊連接，是國外普遍
的做法，既安全又經(jīng)濟(jì)。今后在工程中，有備用
系統(tǒng)的管道，高壓高溫閥門宜創(chuàng)造條件用對焊
連接。
(4)對于未經(jīng)計算機(jī)柔性計算的管道，如能在
管道布置走向及管架設(shè)計中使法蘭附近管段符合
管道柔性簡化計算的圖形，則可按簡化計算取得
外載數(shù)據(jù)。采用其他方法，還有待探索。
參考文獻(xiàn)
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[S]．
3 ASME Boiler＆Pressure vessel code Section IIl[S]．
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5 HG／T20592—20635—2009，鋼制管法蘭、墊片、緊固件
[s]．
(修改回稿2014—12—07)
(上接第9頁)
維持其連續(xù)活性，保證烷基化反應(yīng)的連續(xù)進(jìn)行。
另一方面設(shè)計了多種烷基化反應(yīng)器及工藝。
2．4．3 間接烷基化技術(shù)
間接烷基化是一種替代技術(shù)，可以生產(chǎn)高品
質(zhì)、高辛烷值異辛烷油，典型的原料為異丁烯，
反應(yīng)過程：首先是2個異丁烯形成二聚物，然后加
氫成異辛烷油，此過程有明顯的投資優(yōu)勢，辛烷
產(chǎn)率近100％ ，產(chǎn)品具有雷德蒸汽壓低的特點。間
接烷基化用到了固體催化劑—— 固體磷催化劑和
樹脂催化劑。從催化劑的安全性和反應(yīng)的可靠性
和該工藝的投資隋況來看，很有開發(fā)價值。
3 結(jié)語
隨著有關(guān)廢酸處理等環(huán)保問題找到經(jīng)濟(jì)有效
的解決辦法，制約烷基化技術(shù)發(fā)展的“瓶頸”技
術(shù)問題的逐步解決，以及新型的烷基化技術(shù)的不
斷開發(fā)應(yīng)用，烷基化技術(shù)的發(fā)展空間將非常可觀。
參考文獻(xiàn)
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2008，35 (12)：65—68．
2 李網(wǎng)章．烷基化技術(shù)與經(jīng)濟(jì)[J]． 煉油技術(shù)與工程，
2012，42(11)：18—21．
3 胡瑩梅．烷基化汽油生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展[J]． 現(xiàn)代化工，
2008，28 (10)：30—34．
4 畢建國． 烷基化油生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)展[J]．化工進(jìn)展，
2007，26 (7)：934—939．
5 巖，郭瑩，侯娜．烷基化技術(shù)進(jìn)展[J]． 當(dāng)代化
工，2012，41(1)：69—72．
(收稿日期：2014—07—11) </一>

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