CAESARⅡ中法兰泄漏校核方法分析与对比

㊀２０１９年㊀第１期Ｐｉｐｅｌｉｎｅ㊀Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ㊀ａｎｄ㊀Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ２０１９㊀Ｎｏ １㊀收稿日期：２０１８－０３－３０ＣＡＥＳＡＲＩＩ中法兰泄漏校核方法分析与对比廉立伟，冉庆富，苏龙龙，余伟明，赵㊀斌（海洋石油工程股份有限公司，天津㊀３００４６１）㊀㊀摘要：文中通过对当量压力法和ＮＣ３６５８．３最大屈服强度法分析，结合计算结果与实际现场运行情况，得出ＮＣ３６５８．３最大屈服强度法的计算结果较准确，当量压力法计算结果较保守，并根据软件中分析方法特点，推荐一种法兰泄漏校核方法㊂关键词：ＣＡＥＳＡＲＩＩ；法兰泄漏；当量压力法；ＮＣ３６５８．３法；校核计算；分析对比中图分类号：ＴＥ８㊀㊀㊀文献标识码：Ａ㊀㊀㊀文章编号：１００４－９６１４（２０１９）０１－００２９－０３ＭｅｔｈｏｄＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＣｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆＦｌａｎｇｅＬｅａｋａｇｅＣｈｅｃｋｓＭｅｔｈｏｄｉｎＣＡＥＳＡＲＩＩＬＩＡＮＬｉ⁃ｗｅｉ，ＲＡＮＱｉｎｇ⁃ｆｕ，ＳＵＬｏｎｇ⁃ｌｏｎｇ，ＹＵＷｅｉ⁃ｍｉｎｇ，ＺＨＡＯＢｉｎ（ＯｆｆｓｈｏｒｅＯｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｔｉａｎｊｉｎ３００４６１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｒｏｕｇｈｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｐｒｅｓｓｕｒｅｍｅｔｈｏｄａｎｄＮＣ３５６８．３ｍａｘｉｍｕｍｙｉｅｌｄｓｔｒｅｎｇｔｈｍｅｔｈｏｄ，ｃｏｍｂｉｎｉｎｇｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｗｉｔｈｔｈｅａｃｔｕａｌｆｉｅｌｄｏｐｅｒａｔｉｏｎ，ｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｏｆＮＣ３６５８．３ｍａｘｉｍｕｍｙｉｅｌｄｓｔｒｅｎｇｔｈｍｅｔｈｏｄｗａｓａｃ⁃ｃｕｒａｔｅａｎｄｔｈｅｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｐｒｅｓｓｕｒｅｍｅｔｈｏｄｗａｓｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｖｅ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅａｎａｌｙｓｉｓｍｅｔｈ⁃ｏｄ，ａｍｅｔｈｏｄｏｆｃｈｅｃｋｉｎｇｆｌａｎｇｅｌｅａｋａｇｅｗａｓｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＣＡＥＳＡＲＩＩ；ｆｌａｎｇｅｌｅａｋａｇｅ；ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｐｒｅｓｓｕｒｅｍｅｔｈｏｄ；ＮＣ３６５８．３ｍｅｔｈｏｄ；ｃｈｅｃｋａｎｄｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ；ａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ０㊀引言ＣＡＥＳＡＲＩＩ软件中内嵌了２种法兰泄漏校核的方法：当量压力法；ＮＣ３６５８．３最大屈服强度法㊂本文通过对２种计算方法的理论基础进行分析，并结合软件计算结果和现场实际反馈情况进行对比分析㊂现场实际安装也是影响法兰泄漏的主要因素，ＡＳＭＥＰＣＣ－１中对法兰的安装做了详细的要求，按照此要求进行安装即可降低安装带来的影响㊂本文的分析均是从设计角度进行研究，忽略安装因素对法兰泄漏的影响㊂１㊀ＣＡＥＳＡＲＩＩ中的法兰泄漏校核方法１．１㊀当量压力法当量压力法认为法兰连接处的所有外部载荷均作用在垫片上，轴向应力应处于安全范围内㊂如图１所示，将由于管道所受重力和热膨胀而产生的作用在法兰上的轴向力Ｆ和弯矩Ｍ（Ｍ为作用在法兰上的合力矩）转换成当量压力Ｐｅ１和Ｐｅ２，Ｐｅ１和Ｐｅ２相加得出总的当量压力Ｐｅ［１－２］㊂轴向力产生的当量压力：图１㊀当量压力法原理分析图Ｐｅ１＝４Ｆ／（πＧ２）（１）弯矩产生的当量压力：Ｐｅ２＝１６Ｍ／（πＧ３）（２）总当量压力：Ｐｅ＝Ｐｅ１＋Ｐｅ２（３）将Ｐｅ与Ｐｄ相加计算出总的压力Ｐｔ：Ｐｔ＝Ｐｅ＋Ｐｄ（４）式中：Ｐｔ为总压力，ＭＰａ；Ｐｅ为总当量压力，ＭＰａ；Ｐｄ为设计压力，ＭＰａ；Ｍ为作用在法兰上的合力矩，Ｎ㊃ｍｍ；Ｇ为垫片上的有效直径，ｍｍ；Ｆ为作用在法兰上的轴向力，Ｎ㊂将计算得到的总压力Ｐｔ与ＡＳＭＥＢ１６．５中与法兰材料相关的对应温度下的压力进行对比㊂当Ｐｔ小于此压力时，理论上认为法兰不会发生泄漏，否则，认为存在泄漏的可能㊂１．２㊀ＮＣ３６５８．３最大屈服强度法此校核方法源于ＡＳＭＥＢＰＶＣＩＩＩ－１－ＮＣ分卷第㊀㊀㊀㊀㊀３０㊀ＰｉｐｅｌｉｎｅＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＥｑｕｉｐｍｅｎｔＪａｎ ２０１９㊀３６５８．３节，因此称为ＮＣ３６５８．３法，ＡＳＭＥＢＰＶＣＩＩＩ－１－ＮＣ卷是关于核电站部件建设标准，采用此方法对法兰泄漏进行校核需要满足一定的要求㊂当下列２个条件同时满足时，才能使用ＮＣ３６５８．３法校核法兰泄漏［３］㊂（１）法兰㊁螺栓㊁垫片符合ＡＳＭＥＢ１６．５中的要求；（２）螺栓材料在１００℉（３８ħ）下的许用应力不小于２００００Ｐｓｉ（１３８ＭＰａ）㊂本文计算案例条件满足以上要求㊂此方法认为管道介质内压以及由管道变形所产生的弯矩或扭矩都施加在螺栓上，并且假定应力都均匀分布在螺栓孔所处圆周上，如果螺栓发生破坏，则法兰产生泄漏㊂根据ＡＳＭＥＢＰＶＣＩＩＩ－１－ＮＣ分卷第３６５８．３节，Ｍｆｓ满足式（５）的要求；在设计或操作条件下，由于弯矩或扭矩Ｍｆｓ㊁动载荷而产生的作用于连接法兰上的弯矩或扭矩应满足式（６）的要求㊂Ｍｆｓɤ３１２５（Ｓｙ／３６０００）ＣＡｂ（５）式中：Ｓｙ为法兰材料在设计温度下的屈服强度，ＭＰａ；Ｃ为螺栓环直径，ｍｍ；Ａｂ为螺栓横截面积之和，ｍｍ２；Ｍｆｓ为在设计或操作状态下，由于管道所受重力㊁管道热膨胀㊁持续恒定位移㊁泄放阀稳定持续机械载荷而产生的作用于连接法兰上的弯矩或扭矩，Ｎ㊃ｍｍ㊂Ｍｆｄɤ６２５０（Ｓｙ／３６０００）ＣＡｂ（６）式中（Ｓｙ／３６０００）应小于等于１㊂ＣＡＥＳＡＲＩＩ中的分析方法根据式（５）和式（６）进行推导得出：Ｓ１＝３６０００㊃Ｍｆｓ／（３１２５㊃Ｃ㊃Ａｂ）ɤＳｙ（７）Ｓ２＝３６０００㊃Ｍｆｄ／（６２５０㊃Ｃ㊃Ａｂ）ɤＳｙ（８）式中：Ｓ１㊁Ｓ２为作用在法兰上的应力值，ＭＰａ；Ｍｆｄ为在设计或操作条件下，由于弯矩或扭矩Ｍｆｓ㊁动载荷而产生的作用于连接法兰上的弯矩或扭矩，Ｎ㊃ｍｍ㊂当根据计算式得出的值小于等于Ｓｙ时，则认为法兰不会发生泄漏，否则认为会发生泄漏，需要采取方法（如提高法兰磅级）解决㊂由于当量压力法不适用于动载荷分析，且在实际情况下，管道应力分析以静态分析为主，因此在本文中仅分析对比静态下的计算方法㊂２㊀分析方法模拟计算对比本文选取某已运行项目部分关键管道进行分析计算，管道布置如图２所示㊂此部分管道与动设备连接，且输送介质为超低温液体，容易在法兰连接处发生泄漏的风险，本文采用ＣＡＥＳＡＲＩＩ软件中的２种法兰泄漏校核方法对法兰连接处进行理论校核，并对比分析计算方法，综合考虑分析出一种简便㊁合理的法兰泄漏校核方法㊂管道及环境工况条件见表１和表２㊂表１中，１ᵡ＝２．５４ｃｍ㊂表１㊀管道参数公称管径材质管道壁厚腐蚀余量保冷厚度／ｍｍ保冷密度／（ｋｇ㊃ｍ－３）８＂Ａ３５８３０４ＳＣＨ１０ｓ０１３０４０表２㊀介质参数流体介质介质密度／（ｋｇ㊃ｍ－３）操作温度／ħ设计温度／ħ操作压力／ＭＰａ设计压力／ＭＰａ水压试验压力／ＭＰａＬＮＧ４８０－１６０－１６５ ５００．９６１．７９２．６８５图２㊀案例分析模型２．１㊀当量压力法分析计算根据管道轴测图以及表１和表２中信息，在管道应力分析软件ＣＡＥＳＡＲＩＩ中搭建分析模型，设置分析工况，在保证管线应力满足设计要求的前提下，进行法兰泄漏校核㊂在法兰连接处采用当量压力法和ＮＣ３６５８．３法对同一个法兰连接进行泄漏校核㊂ＣＡＥＳＡＲＩＩ中当量压力法的输入界面如图３所示㊂图３㊀当量压力法输入界面㊀㊀㊀㊀㊀第１期廉立伟等：ＣＡＥＳＡＲＩＩ中法兰泄漏校核方法分析与对比３１㊀㊀在输入界面首先要确认模型中的分析点，然后根据管道信息，确认法兰采用ＣＬ９００的ＡＳＭＥＢ１６．５标准法兰，对应标准ＡＳＭＥＢ１６．５中Ｔａｂｌｅ１Ａ查找材料分组代号为２．１，再在输入界面中ＲｅａｄｆｒｏｍＦｉｌｅ中选择法兰等级，完成分析前的数据输入㊂计算后的结果见表３㊂表３㊀当量压力法校核结果节点号Ｎｏｄｅ轴向力／Ｎ弯矩／Ｎ㊃ｍ垫片直径／ｍｍ当量压力／ｋＰａ许用应力／ｋＰａ应力比／％备注２７４０５８０４２６５２２４８．５４１９５９．３５１８９６．０６１０３．３４未通过３２８０２４９５２９７４２４８．５４１９９８．１５１８９６．０６１０５．３８未通过３６３０７４１１２７４２２４８．５４２０２２．２６１８９６．０６１０６．６６未通过４０３０７４６３２３０２２４８．５４１８７７．５７１８９６．０６９９．０２通过２．２㊀ＮＣ３６５８．３法分析计算ＮＣ３６５８．３法的输入界面如图４所示㊂图４㊀ＮＣ３６５８．３法输入界面确认完分析模型中的分析点后，根据ＡＳＭＥＰＣＣ－１中附录Ｈ确认输入界面中Ａｂ的值，依据ＡＳＭＥＢ１６．５确认螺栓孔环直径Ｃ，查找ＡＳＭＥＢＰＶＣＩＩＰａｒｔＤＴａｂｌｅＹ１确认不同温度下法兰的屈服强度值㊂计算后的结果见表４㊂表４㊀ＮＣ３６５８．３法校核结果节点号Ｎｏｄｅ扭矩／Ｎ㊃ｍ弯矩／Ｎ㊃ｍ螺栓孔环直径／ｍｍ螺栓面积／ｍｍ２法兰上的应力／ｋＰａ许用应力／ｋＰａ应力比／％备注２７４０８６３２６５２２９８．５１７６３．２５８０４５．０２０７０００２８．０４通过３２８０８１２２９７４２９８．５１７６３．２６５１０５．９２０７０００３１．４５通过３６３０７８５２７４２２９８．５１７６３．２７２０７４．２２０７０００３４．８２通过４０３０８２１２３０２２９８．５１７６３．２６０５２２．９２０７０００２９．２４通过２．３㊀分析对比为了保证分析结果的准确性，两种校核方法选用相同的计算模型和分析工况㊁节点进行对比㊂由表３和表４中的数据可以看出，采用当量压力法校核，在节点２７４０㊁３２８０㊁３６３０处法兰应力比超出了许用值的要求，理论上认为法兰连接处会发生泄漏，节点４０３０处的应力比为９９．０２％，满足要求㊂ＮＣ３６５８．３法校核结果显示最大应力比在节点３６３０处，结果为３４．８２％，在许用范围之内，理论上认为不会出现泄漏㊂在节点２７４０㊁３２８０㊁３６３０处，两种计算方法的结果相反㊂根据现场已运行情况，法兰连接处未发生泄漏㊂两种方法的理论基础不同，当量压力法是将作用于法兰上的轴向力和弯矩转换成当量压力，认为由于受重力和变形产生的总载荷全部作用在垫片上，要求法兰连接处的轴向应力控制在一个安全范围之内㊂ＮＣ３６５８．３法认为法兰连接处的弯矩或者扭矩全部作用在螺栓上，要求弯矩和扭矩中较大者控制在一定范围内㊂法兰密封结构由法兰㊁垫片和螺栓组成，通过拧紧螺栓，增加法兰和垫片之间的压紧力，达到密封目的，泄漏是法兰㊁垫片和螺栓的相关刚度共同作用导致的［４－５］㊂当量压力法将所有作用力考虑到垫片上，扩大了受力面积，减少了单位面积内的应力，因此相对保守㊂结合式（４）和表３中节点３２８０和３６３０的数据，节点３２８０处的轴向力为２４９５Ｎ，弯矩为２９７４Ｎ㊃ｍ，应力比为１０５．３８％，节点３６３０处的轴向力为７４１１Ｎ，弯矩为２７４２Ｎ㊃ｍ，应力比为１０６．６６％，两个节点处的弯矩大小相差较小，轴向力相差很大，应力比基本一致，说明采用当量压力法进行计算时弯矩是主要的影响因素㊂分析两种校核方法的计算公式和计算结果，轴向力对法兰泄漏的影响较小，法兰连接处的弯矩或扭矩是主要的影响因素㊂３㊀法兰泄漏核核方法改进综合分析２种方法，推荐一种法兰泄漏校核方法，具体流程见图５所示㊂采用当量压力法进行校核，校核通过，则认为理论上无泄漏，校核结束㊂当校核未通过时，采用ＮＣ３６５８．３法进行校核，通过，则校核结束，未通过，考虑提高法兰磅级后继续采用ＮＣ３６５８．３法进行校核，直到校核通过㊂（下转第３４页）㊀㊀㊀㊀㊀３４㊀ＰｉｐｅｌｉｎｅＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＥｑｕｉｐｍｅｎｔＪａｎ ２０１９㊀来控制，而１ＡＤＧ１５４ＶＶ的动作是间歇性的，结合疏水调节阀控制方式可知，导致焊缝开裂最主要的原因在于：疏水调节阀间歇性启闭导致下游管道承受交变载荷作用，疏水量则影响到交变载荷大小，直接导致管道截面上峰值应力水平偏高㊂而接头焊接质量不良，在局部引起了较大的应力集中［５］，进一步降低了接头的抗疲劳性能，疲劳裂纹在多条焊缝焊趾处都有萌生和扩展，是焊缝疲劳开裂的促成因素㊂同时，在距离焊趾较近的母材区域也出现了数条小的疲劳裂纹，这说明引起疲劳裂纹萌生的应力较大［６］㊂２㊀结论和建议通过上述试验分析，得出如下结论：（１）失效断裂管道部分母材Ｐ㊁Ｃｒ元素超过标准要求；金相组织为奥氏体等轴晶；硬度分布均匀；（２）失效断裂管道焊接接头存在明显的焊接不良情况，具体表现为：接头内表面呈现焊缝宽窄不一，且鱼鳞状过渡不均匀；内壁均存在明显的余高和错边现象，焊缝与母材交界处近似呈几何拐角方式过渡；（３）失效管道失效模式为疲劳开裂：疏水调节阀间歇性启闭导致下游管道承受交变载荷作用，疏水量则影响到交变载荷大小，直接导致管道截面上峰值应力水平偏高㊂而局部焊接不良导致应力集中更加严重，进一步降低接头处的疲劳耐久性能㊂针对同类管线焊接接头开裂问题，建议如下：（１）加强管道采购环节的质量验收工作，提前识别不符合质量要求的管道；（２）焊接工作应严格控制根部间隙㊁背部气体保护效果，提高焊接接头制造质量尤其打底焊焊接质量；（３）对同类型管道设计进行校核，确认是否存在局部应力过大现象；优化疏水管系及疏水阀控制方式，降低管道交变应力水平，避免发生疲劳失效㊂参考文献：［１］㊀曹丹．给水除氧器系统设计手册［Ｚ］．上海，２０１１．［２］㊀崔约贤，王长利．金属断口分析［Ｍ］．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，１９９８．［３］㊀王晋生，郑春刚，陈丽中．压力管道工程焊接技术与质量控制［Ｊ］．管道技术与设备，２００４（２）：３１－３２．［４］㊀陈剑虹．不锈钢焊接冶金学及焊接性［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２０１６．［５］㊀田金柱．压力管道施工焊接质量控制［Ｊ］．管道技术与设备，２００８（３）：４５－４６．［６］㊀中国机械工程学会焊接学会．焊接手册［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００１．作者简介：陈平（１９９０ ），助理工程师，本科，从事核电厂防腐老化技术管理工作㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：３１２２８９２２９＠ｑｑ．ｃｏｍ（上接第３１页）图５㊀采用ＣＡＥＳＡＲＩＩ软件校核法兰泄漏流程４㊀结论（１）当量压力法相对保守，ＮＣ３６５８．３法更精确，与实际更加接近㊂但在ＣＡＥＳＡＲＩＩ中，ＮＣ３６５８．３法计算时需要查找㊁输入大量信息，操作复杂，当量压力法计算时仅需确定法兰规格㊂（２）影响法兰连接泄漏的主要因素是法兰连接处的弯矩或扭矩，轴向力的影响较小，因此在进行管道布置时应避免在法兰连接处产生较大的弯矩或扭矩，并充分利用 布置－分析－再布置 的方法，优化管路设计㊂（３）根据ＡＳＭＥＢ１６．５中温压表选择的法兰，满足正常情况下的法兰泄漏要求，再次采用泄漏校核分析，仅是在理论上避免发生泄漏的可能，但是实际情况下发生泄漏可能是安装不到位（如螺栓紧固不均匀㊁预紧力过小等）导致，因此在施工过程中也要严格按照相关要求安装法兰，并在正式投产前，对法兰连接处进行检漏试验，以全面保证法兰连接在运行状态下的安全㊂参考文献：［１］㊀ＢＡＴＴＬＥＣｏｌｕｍｂｕｓＬａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ．ＥｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｂｏｌｔｉｎｇａｎｄｆｌａｎｇｅｓｏｆＡＮＳＩＢ１６．５ｆｌａｎｇｅｄｊｏｉｎｔｓ：ＡＳＭＥＰａｒｔＡｄｅｓｉｇｎｒｕｌｅｓ［Ｒ］．Ｃｏｌｕｍｂｕｓ，１９７６．［２］㊀张德姜，王怀义，丘平．石油化工装置工艺管道安装设计手册［Ｍ］．北京：中国石化出版社，２０１３．［３］㊀ＴｈｅＡｍｅｒｉｃａｎＳｏｃｉｅｔｙｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｓ．ＢｏｉｌｅｒａｎｄＰｒｅｓｓｕｒｅＶｅｓｓｅｌＣｏｄｅ：ＳｅｃｔｉｏｎⅢ⁃ＲｕｌｅｓｆｏｒＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆＮｕｃｌｅａｒＦａｃｉｌｉｔｙＣｏｍｐｏｎｅｎｔｓ⁃Ｄｉｖｉｓｉｏｎ１ＳｕｂｓｅｃｔｉｏｎＮＣ⁃Ｃｌａｓｓ２Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ［Ｓ］．ＮｅｗＹｏｒｋ：ＴｈｅＡｍｅｒｉｃａｎＳｏｃｉｅｔｙｏｆＭｅ⁃ｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｓ，２０１７：１４８－１４９．［４］㊀邢桂萍，罗广辉，郑新兵．法兰密封泄漏的原因分析［Ｊ］．石油化工设备技术，２００８，２９（２）：６３－６６．［５］㊀焦磊．压力管道法兰密封与泄漏的浅析［Ｊ］．石油化工技术与经济，２０１２，２８（４）：２６－３０．作者简介：廉立伟（１９８５ ），工程师，从事液化天然气工程管道设计与研究㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｌｉａｎｌｗ＠ｃｏｏｅｃ．ｃｏｍ．ｃｎ。