化工设计中法兰的设计选用

马琦璐1,黄文章2,罗书磊1,郭彦斌1,杨琦1,张同心1,周恩年1,李长福1

1. 新疆中泰创新技术研究院有限责任公司，新疆乌鲁木齐市，830000

2. 新疆寰球工程公司，新疆独山子，833699

摘要: 化工法兰是化工装置最常用的管件之一，不少事故是由法兰泄漏引起，合理选用法兰关系到化工装置能否长期安全稳定运行。本文从法兰标准体系、法兰类型、法兰公称压力及法兰泄漏等，梳理法兰选用的基本方法，以提供法兰合理选用的参考。

关键词：法兰；类型；公称压力；泄漏校核

引言

化工装置设计过程中不可避免会用到法兰，法兰的合理选择及校核非常重要，尤其是高温、易燃、有毒介质，如果法兰选用不当导致介质泄漏，很可能引发安全事故，下面就化工法兰在设计中的选用及校核做一基本梳理。

1法兰标准体系的选用

化工装置设计过程中常用的法兰标准体系有欧洲体系和美洲体系。

欧洲体系法兰标准：主要有HG/T 20592《钢制管法兰（PN系列）》；另外，GB/T 9124.1《钢制管法兰 第1部分：PN 系列》也是欧洲体系法兰标准，但在化工装置使用较少。

美洲体系法兰标准：主要有HG/T 20615《钢制管法兰（Class系列）》和SH/T 3406《石油化工钢制管法兰》；另外，GB/T 9124.2《钢制管法兰 第2部分：Class系列》也是美洲体系法兰标准，但在化工装置使用较少。

同公称尺寸、同公称压力的同类法兰，相同标准体系的法兰能够匹配连接，不同标准体系的法兰不能够匹配连接；通常同一项目选用统一的法兰标准体系及法兰标准。

2法兰类型型式

法兰类型型式主要包含三方面信息：

（1）接管端公称尺寸和钢管外径

欧洲体系法兰公称尺寸和外径如下表1，由表1可见欧洲体系法兰外径根据设计需要可选英制管或公制管；美洲体系法兰公称尺寸和外径如下表2，由表2可见美洲体系法兰外径只可选英制管。

表1.欧洲体系法兰公称尺寸和钢管外径（mm）【1】

表2.美洲体系法兰公称尺寸和钢管外径（mm）【2】

（2）法兰类型

欧洲体系法兰类型：板式平焊法兰（PL）、带颈平焊法兰（SO）、带颈对焊法兰（WN）、整体法兰（IF）、承插焊法兰（SW）、螺纹法兰（Th）、对焊环松套法兰（PJ/SE）、平焊环松套法兰（PJ/RJ）、法兰盖（BL）、衬里法兰盖（BL（S））。【1】

美洲体系法兰类型：对焊法兰（WN）、平焊法兰（SO）、承插焊法兰（SW）、松套法兰（LJ）、螺纹法兰（PT）、法兰盖（BL）。【3】

使用过程中需注意各种法兰类型的适用范围，各种法兰类型适用的公称尺寸范围及公称压力范围，在各个法兰标准中都有相应规定。

（3）密封面型式

欧洲体系法兰密封面型式：突面（RF）、凹面/凸面（MFM：凹面为FM，凸面为M）、榫面/槽面（TG：榫面为T，槽面为G）、全平面（FF）、环连接面（RJ）。【1】

美洲体系法兰密封面型式：突面（RF）、全平面（FF）、凹凸面（FM：凹面为LF，凸面为LM）、榫面/槽面（TG：榫面为TF，槽面为GF）、环连接面（RJ）。【3】

使用过程中需注意各种法兰密封面型式的适用范围，各种法兰密封面型式适用的公称尺寸范围及公称压力范围，在各个法兰标准中都有相应规定。另外，凹面和凸面是配对使用的，两个凹面无法配对使用，两个凸面也无法配对使用；榫面和槽面是配对使用的，两个榫面无法配对使用，两个槽面也无法配对使用。

3法兰公称压力选择

欧洲体系法兰公称压力分为：PN2.5、PN6、PN10、PN16、PN25、PN40、PN63、PN100、PN160。

美洲体系法兰公称压力分为：Class75（PN11）、Class150（PN20）、Class300（PN50）、Class400（PN68）、Class600（PN110）、Class900（PN150）、Class1500（PN260）、Class2500（PN420）。

（1）选用法兰公称压力时要先根据介质腐蚀特性选择法兰材质，再在温压表中选择合适的公称压力。

（2）对于“公称压力小于或等于PN20的法兰的工作温度超过200℃和公称压力大于或等于PN50的法兰工作温度超过400℃时，应采取措施防止法兰承受温度剧变和附加荷载，否则降低法兰密封性能”。【3】

（3）对极度危害介质可考虑提高一个法兰公称压力使用。

4法兰泄漏校核

法兰泄漏通常分为渗透泄漏和界面泄漏。渗透泄漏是指，当法兰之间的垫片为石棉、石墨等材质，由于其组织疏松，致密性差，在一定压力下，介质会渗透到低压侧。界面泄漏是指，当密封垫片压紧力不够、管道变形及振动造成密封垫片与法兰端面之间密合不严而发生的泄漏，此外，法兰连接后受力导致螺栓变形、法兰发生变形及垫片发生变形等，也会造成法兰连接面泄漏。渗透泄漏可以通过选择适合介质腐蚀、压力、温度的垫片解决；界面泄漏量大，造成的危害大，所以通常所校核的泄漏是指界面泄漏。

【5】

法兰泄漏校核方法主要有：Taylor-Waters法、EN1591法、NC-3658.3法、Kellogg Equivalent Pressure法和ASME PCC-法。【6】工程设计管道应力分析软件CaesarII中通常应用的法兰泄漏校核方法是NC3658.3法和Kellogg Equivalent Pressure法。

（1）NC3658.3法

NC3658.3法也称NC3658.3最大屈服强度法，此方法是将法兰上承受的力和力矩等效作用到螺栓上，然后与法兰上的屈服强度进行比较，因此有时也称之为法兰强度校核。计算公式为：

250M0/21.6CAb≤Sy

式中：M0-法兰弯矩；

Ab-螺栓截面总面积；

C-螺栓中心圆直径；

Sy-设计温度下法兰的屈服强度。【4】

有资料显示此方法计算得出的结果更接近实际，但此方法较为激进，大部分法兰都能校核通过，校核通过的法兰不会出现崩裂式泄漏，但仍有较大泄露风险，建议用于介质危害性较小、少量泄漏不会造成大的危害的介质的法兰校核。

（2）Kellogg Equivalent Pressure法

Kellogg Equivalent Pressure法也称Peq当量压力法，此方法将法兰上承受的力和力矩等效作用到垫片上，与法兰操作压力求和得出当量压力，与法兰的最大许用工作压力比较。计算公式为：

Pe=P+4F/πDC2+16M/πDC3

式中：Pe-当量压力；

      F-作用在法兰上的轴向力；

M-作用在法兰上的弯矩；

DC-垫片有效工作直径；

P-法兰操作压力。【4】

此方法相对保守，可能会造成一定浪费，但校核法兰基本能保证法兰密封面不泄漏，建议对泄漏有严格要求或可能因外加荷载导致法兰泄漏的法兰用此方法进行泄漏校核。

5 结束语

法兰的设计选用看似简单，实则有很多关键点，化工装置的法兰使用量很大，每一个法兰面都是一个潜在的泄漏风险点，正确合理的选用法兰，是实现设计本质安全的必要条件，也是实现化工装置长期安全平稳运行的有力保障。

参考标准

【1】HG/T 20592《钢制管法兰（PN系列）》

【2】HG/T 20615《钢制管法兰（Class系列）》

【3】SH/T 3406《石油化工钢制管法兰》

参考文献

【4】左勇，宋悦，郝翰，孙默思《法兰泄漏校核方法的探讨》，辽宁化工, 第51卷第2期，2022年2月

【5】刑桂萍，罗广辉，郑新兵《法兰密封泄漏的原因分析》，石油化工设备技术，2008,29（2）,63-66

【6】王璐，薛吉林《法兰接头预紧过程中垫片应力场数值模拟分析》，管道技术与设备，2018,76（6）,52-56