王義昌 天津市揚(yáng)子化工技術(shù)有限公司 天津 300061

隨著我國石油化學(xué)工業(yè)的蓬勃發(fā)展，高壓化工裝置的生產(chǎn)能力越來越大，現(xiàn)普遍采用的設(shè)計(jì)依據(jù)和現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范沖突甚多，如何科學(xué)、合理、經(jīng)濟(jì)地按國際先進(jìn)水平設(shè)計(jì)高壓管道組成件已迫在眉睫。

1 兩種法蘭系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

1.1 螺紋法蘭系列

1.1.1 H 標(biāo)準(zhǔn)

國內(nèi)高壓管、管件和緊固件的設(shè)計(jì)一直沿用《高壓管、管件及緊固件通用設(shè)計(jì)》 (H1 ～31 -67)，以下簡(jiǎn)稱H 標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)是在上個(gè)世紀(jì)60年代前蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)ТУИО8100 -50 的基礎(chǔ)上，根據(jù)我國當(dāng)時(shí)的實(shí)際情況，采用以碳鋼代替鉻鉬鋼制成Ⅰ級(jí)溫度用雙頭螺栓、法蘭厚度減薄約30%、允許直接采用軋材制造和以焊代鍛等措施制定的。該法蘭為螺紋法蘭，圓錐形面在管道上，其母線與中心線夾角為20°。

現(xiàn)在從標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)上已查不到該標(biāo)準(zhǔn);從H -67“高壓管、管件及緊固件通用設(shè)計(jì)”的編號(hào)看，不屬于HG 化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn);從名稱看，它是通用設(shè)計(jì)，且與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)矛盾甚多。

1.1.2 機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

1979年，機(jī)械行業(yè)沿用H 標(biāo)準(zhǔn)公布了PN160～PN320 高壓管道組成件的機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB 2768～JB2778。該標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過多次修訂，形成現(xiàn)在的《鍛造角式高壓閥門技術(shù)條件》JB/T 450 -2008、《閥門零部件高壓管子、管件和閥門端部尺寸》JB/T 2768 -2010、 《閥門零部件高壓螺紋法蘭》JB/T 2769 -2008、《PN16.0 ～32.0 MPa 接頭螺母》JB/T 2770 -1992、《PN16.0 ～32.0 MPa 接頭》JB/T 2771 -1992、《閥門零部件高壓盲板》JB/T 2772-2008、《閥門零部件高壓透鏡墊》JB/T 2776 -2010 和《閥門零部件高壓管件和緊固件溫度標(biāo)記》JB/T 2778 -2008 等系列標(biāo)準(zhǔn)。

該行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為機(jī)械行業(yè)生產(chǎn)高壓管道組成件的制造標(biāo)準(zhǔn)。

1.1.3 企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

由于H 標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容已跟不上時(shí)代的步伐，最大管徑只為DN150，有些生產(chǎn)企業(yè)延伸了H 標(biāo)準(zhǔn)，增加了較大管徑的規(guī)定，制訂了規(guī)范本企業(yè)生產(chǎn)行為的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。如浙江工業(yè)大學(xué)化工設(shè)備有限公司的企標(biāo)ZH300 -2009 高壓管、管件及緊固件標(biāo)準(zhǔn);岳陽筑盛閥門管道有限責(zé)任公司的DH 企業(yè)標(biāo)準(zhǔn);湖南四化建高壓閥門管件有限公司的GH標(biāo)準(zhǔn)。

某企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)公稱壓力PN160、PN220、PN260、PN320，公稱尺寸為DN6 ～ DN350。公稱壓力PN320 的最大公稱尺寸為DN300。

1.2 帶頸對(duì)焊法蘭系列

1.2.1 德國DIN 標(biāo)準(zhǔn)

德國在1972年頒布DIN 2696:1972 -04 《法蘭連接用透鏡墊》 (Lenticular ring joint gaskets for flanged joints)，1999年進(jìn)行了修訂，公布了DIN 2696:1999 -08。該標(biāo)準(zhǔn)為透鏡墊標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)所配的法蘭標(biāo)準(zhǔn)為DIN 1092 -1 (PN63、PN100)、DIN 2636 (PN64)、DIN 2637 (PN100)、DIN 2638(PN160 )、 DIN 2628 (PN250 )、 DIN 2629(PN320)、DIN 2627 (PN400)，皆為帶頸對(duì)焊法蘭。帶頸對(duì)焊法蘭的連接面將突面的管口處制造成錐體連接面，圓錐形面的母線與其中心線夾角為20°。

DIN 2638 (PN160)、DIN 2628 (PN250)、DIN 2629 (PN320)、DIN 2627 (PN400)的最大管徑依次為 DN300、DN250、DN250、DN200。DIN 2696:1999 -08 規(guī)定透鏡墊連接的帶頸對(duì)焊法蘭的最大管徑為DN200。

1.2.2 美洲體系

美國ASMEB16.5 《管法蘭和法蘭管件》是一套完整的、系統(tǒng)的、使用廣泛的管法蘭標(biāo)準(zhǔn)。

HG/T 20615 是以ASMEB16.5 為依據(jù)編制的，公稱壓力最高為Class2500 (PN420)，可以滿足工程設(shè)計(jì)的需要。Class900 (PN150)、Class1500(PN260)、Class2500 (PN420)的帶頸對(duì)焊法蘭的最大管徑依次為DN600、DN600、DN300。

高壓管道法蘭密封面通常采用環(huán)連接面(RJ)。

1.2.3 前蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)

前蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)《附件、連接件和管路用法蘭型式. 連接尺寸和密封表面尺寸(1 至200kg/cm2)》ГОСТ 12815 -1980，也有透鏡墊連接的尺寸表，從PN63 至PN200，圓錐形面的母線與其中心線夾角為20°30＇。

PN200 的透鏡墊連接的帶頸對(duì)焊法蘭最大管徑為DN200。

該標(biāo)準(zhǔn)基本屬于歐洲體系。

帶頸對(duì)焊法蘭透鏡墊密封裝配示意見圖1。

2 兩個(gè)體系的比較

圖1 帶頸對(duì)焊法蘭透鏡墊密封裝配示意圖

2.1 規(guī)格尺寸

透鏡墊密封形式螺紋法蘭的壓緊錐面在管道上。為了防止透鏡墊在壓緊時(shí)損壞，墊圈截面積必須大于或等于法蘭螺栓的總截面積，即鋼管壁厚不但要滿足管內(nèi)壓力的要求，也要滿足透鏡墊的要求。這樣，鋼管的壁厚往往比較厚，法蘭較厚重。

透鏡墊密封形式帶頸對(duì)焊法蘭的錐面位于法蘭突面處，靠法蘭錐面壓緊墊圈。

(1)H 標(biāo)準(zhǔn)的鋼管未采用國際通用的壓力管道外徑系列，是按公稱壓力等級(jí)形成固定的外徑和壁厚系列;未采用國際通用的公稱壓力及壓力-溫度額定值，只是按溫度系列劃分材料等級(jí)，劃分較粗，未有具體針對(duì)性。帶頸對(duì)焊法蘭以GB/T 9115 的數(shù)據(jù)為依據(jù)。

兩種體系用鋼管規(guī)格比較見表1。

表1 帶頸對(duì)焊法蘭和高壓螺紋法蘭用鋼管規(guī)格比較

從表1 可見，所有鋼管的壁厚螺紋法蘭系列都比帶頸對(duì)焊法蘭系列厚，如DN200 的鋼管，螺紋法蘭系列比帶頸對(duì)焊法蘭系列厚10mm，超重60.2kg/m。

(2)法蘭主要規(guī)格比較見表2。

表2 帶頸對(duì)焊法蘭和螺紋法蘭主要規(guī)格比較

從表2 可見，螺紋法蘭系列厚度在DN50 以上時(shí)比帶頸對(duì)焊法蘭系列厚，如DN200 的法蘭，螺紋法蘭系列比帶頸對(duì)焊法蘭系列厚65mm。

2.2 計(jì)算方法

2.2.1 H 標(biāo)準(zhǔn)

H 標(biāo)準(zhǔn)沿用的是前蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)《高壓管道零件技術(shù)條件》ТУИО8100 -50，其高壓螺紋法蘭計(jì)算方法為原蘇聯(lián)的扎哈林科計(jì)算方法。

該法認(rèn)為:在法蘭與管子采用螺紋法蘭連接的情況下，法蘭內(nèi)外邊緣邊界條件比較接近簡(jiǎn)支狀態(tài)，因此可以假設(shè)法蘭為“環(huán)”，徑向彎曲應(yīng)力和環(huán)向彎曲應(yīng)力可以簡(jiǎn)化為環(huán)向彎曲應(yīng)力，起著控制作用。這是基于材料力學(xué)的計(jì)算方法，屬于過于簡(jiǎn)化的法蘭盤的近似方法，而實(shí)際法蘭并非完全處于環(huán)向彎曲狀況，也存在徑向彎曲應(yīng)力。而該計(jì)算方法沒有考慮法蘭中通常所存在的最大應(yīng)力―錐徑應(yīng)力。

2.2.2 歐美體系標(biāo)準(zhǔn)

目前國際上工業(yè)發(fā)達(dá)國家的法蘭國家標(biāo)準(zhǔn)歸納為歐洲體系和美洲體系，歐洲體系法蘭的計(jì)算方法為基于塑性極限載荷分析的方法，該法對(duì)法蘭按塑性極限載荷法進(jìn)行計(jì)算，從而挖掘法蘭的承載能力，法蘭結(jié)構(gòu)尺寸較小。

美洲體系是基于彈性分析的方法，從彈性分析準(zhǔn)則計(jì)算法蘭的彈性名義應(yīng)力，并通過控制適當(dāng)?shù)脑S用應(yīng)力的辦法，來保證法蘭具有足夠的剛性，從而使整個(gè)連接達(dá)到密封可靠的要求

2.2.3 中國標(biāo)準(zhǔn)

《鋼制管法蘭連接強(qiáng)度計(jì)算方法》GB/T 17186-2008 規(guī)定的只有A、B 兩種，A 為美洲體系的計(jì)算方法，B 為歐洲體系的計(jì)算方法。

GB 150 -2011 規(guī)定的法蘭計(jì)算方法為美洲體系的計(jì)算方法。

3 高壓管管道組成件設(shè)計(jì)中標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的選用

我國的標(biāo)準(zhǔn)正在逐步向國際先進(jìn)水平靠攏，但目前還沒有與國際接軌的高壓管道組成件的國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)高壓管件時(shí)，應(yīng)遵循《壓力管道安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程-工業(yè)管道》TSG D0001 -2009 的規(guī)定，按《工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50316 -2000 (2008年版)、《壓力管道規(guī)范工業(yè)管道》GB/T 20801 - 2006 的有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

3.1 在維修、改造時(shí)的設(shè)計(jì)

為了和在役使用的管件相配套，在高壓管件的維修、改造時(shí)，如要和原管件配套，管道組成件型式尺寸建議按JB/T 450、JB/T 2768-2778 選用。當(dāng)選用螺紋法蘭和原管件配套時(shí)，可選用一個(gè)短管節(jié)，一端為螺紋和法蘭連接，短管另一端采用外壁減薄、內(nèi)壁減薄或內(nèi)外壁皆減薄的方式和符合國際通用的管道外徑系列的管道焊接。其它按3.2 節(jié)高壓管件在新建、擴(kuò)建時(shí)的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)。

3.2 在新建、擴(kuò)建時(shí)的設(shè)計(jì)

我國執(zhí)行的法蘭標(biāo)準(zhǔn)HG/T 20592 - HG/T 20635 是一套按歐洲體系和美洲體系分別編制的管法蘭標(biāo)準(zhǔn)，體系清晰、使用操作性強(qiáng)，具有成熟的工程使用經(jīng)驗(yàn)。其中帶頸對(duì)焊法蘭是適應(yīng)所有壓力級(jí)別的法蘭，所以高壓管道法蘭的最佳選擇是帶頸對(duì)焊法蘭。

德國已在1972年頒布DIN 2696:1972-04 《法蘭連接用透鏡墊》標(biāo)準(zhǔn)，將透鏡墊連接的法蘭標(biāo)準(zhǔn)定為帶頸對(duì)焊法蘭，1999年又對(duì)它進(jìn)行了修訂。前蘇聯(lián)也在1980年頒布ГОСТ 12815 -1980 標(biāo)準(zhǔn)，將透鏡墊連接的法蘭標(biāo)準(zhǔn)定為帶頸對(duì)焊法蘭。

在管徑≤DN200 時(shí)，可以直接選用按照德國DIN2696:1999 -08 標(biāo)準(zhǔn)的透鏡墊的的尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，選用GB/T 9115 -2010 《對(duì)焊鋼制管法蘭》PN160、PN250、PN320、PN400 系列的突面法蘭(該系列的帶頸對(duì)焊法蘭尺寸和德國標(biāo)準(zhǔn)相同)。將突面的管口處制造成錐體連接面和透鏡墊配合。圓錐形面的母線與其中心線夾角為20°。法蘭的材料、壓力-溫度額定值等技術(shù)要求執(zhí)行GB/T 9124-2010 《鋼制管法蘭技術(shù)條件》。

因壁厚不同造成透鏡墊的某些尺寸不同，需要設(shè)計(jì)者因地制宜進(jìn)行計(jì)算。由于透鏡墊內(nèi)徑應(yīng)不小于管道內(nèi)徑，設(shè)計(jì)壓力、管道材料不同造成管內(nèi)徑不同，則需計(jì)算透鏡墊的內(nèi)徑d1以及和透鏡墊的內(nèi)徑有關(guān)的其他參數(shù):球面半徑r、接觸圓直徑dD、透鏡墊內(nèi)側(cè)厚度h1等;帶頸對(duì)焊法蘭的錐面外徑d5、透鏡墊外徑d2、兩法蘭突面的距離x等尺寸均可采用德國DIN2696 標(biāo)準(zhǔn)中的數(shù)據(jù)。

筆者計(jì)算了PN250、設(shè)計(jì)溫度100℃、材料為20#的無縫鋼管的透鏡墊尺寸，PN250 帶頸對(duì)焊法蘭連接用透鏡墊尺寸見表3，該表未經(jīng)施工檢驗(yàn)，供設(shè)計(jì)者參考，符號(hào)意義見圖1。

表3 PN250 帶頸對(duì)焊法蘭連接用透鏡墊尺寸表

DIN2696 中未列出數(shù)據(jù)狀況，在管徑＞DN200時(shí)可以使用美洲體系的 Class900、Class1500、Class2500 級(jí)別的環(huán)連接面帶頸對(duì)焊法蘭。

零部件的要求為:帶頸對(duì)焊法蘭為20 鍛Ⅲ;全螺紋螺柱為35CrMo，螺母為30CrMo;透鏡墊處理后硬度要比管道材料稍軟。

高壓無縫鋼管選用GB 6479 -2000 《高壓化肥設(shè)備用無縫鋼管》，GB 6479 標(biāo)準(zhǔn)中硫含量要求≤0.030%，建議按GB150 對(duì)GB 6479 的要求，要求硫含量≤0.020%;

高壓管件按GB/T 12459 -2005 《鋼制對(duì)焊無縫管件》選用。

3.3 施工及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

施工及驗(yàn)收應(yīng)執(zhí)行《工業(yè)金屬管道工程施工規(guī)范》GB 50235 -2010、《工業(yè)金屬管道工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》GB 50184 -2011、《現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、工業(yè)管道焊接工程施工規(guī)范》GB 50236 -2011、《現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、工業(yè)管道焊接工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》GB 50683 -2011。

4 建議

(1)隨著新材料、新技術(shù)和現(xiàn)代設(shè)備的硬件和軟件的不斷升級(jí)，H 標(biāo)準(zhǔn)已不能滿足現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)的需要，應(yīng)盡快制定出和國際接軌的高壓管、管件和緊固件設(shè)計(jì)規(guī)范。

(2)我國目前還沒有帶頸對(duì)焊法蘭透鏡墊連接面的標(biāo)準(zhǔn)，建議相關(guān)部門結(jié)合我國國情增加歐洲體系帶頸對(duì)焊法蘭PN250、PN320、PN400 等壓力系列，及其相應(yīng)的透鏡墊密封面和相關(guān)規(guī)定。

5 結(jié)語

(1)H 標(biāo)準(zhǔn)的鋼管是按公稱壓力等級(jí)形成固定的外徑和壁厚系列，未采用國際通用的壓力管道外徑系列，也未按因設(shè)計(jì)壓力不同、設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力不同而壁厚不同的情況計(jì)算壁厚。

H 標(biāo)準(zhǔn)按溫度系列劃分材料等級(jí)，未規(guī)定在工作溫度下不同材料的最高允許工作壓力，即未規(guī)定壓力-溫度額定值。

H 標(biāo)準(zhǔn)和《工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50316 -2000 (2008年版)、 《壓力管道規(guī)范工業(yè)管道》GB/T 20801 - 2006 的有關(guān)規(guī)定要求相差甚遠(yuǎn)。

(2)在計(jì)算方法上，螺紋法蘭是基于材料力學(xué)的計(jì)算方法，屬于過于簡(jiǎn)化的法蘭盤的近似方法。

高壓螺紋法蘭系列的管道組成件的重量比透鏡墊密封形式的帶頸對(duì)焊法蘭管系重，從而增加了工程投資。

透鏡墊密封形式的帶頸對(duì)焊法蘭比透鏡墊密封形式的螺紋法蘭連接有明顯的優(yōu)點(diǎn)，因此不應(yīng)再選用高壓螺紋法蘭。

在高壓管件的設(shè)計(jì)上應(yīng)優(yōu)先選用美洲體系法蘭。