龐 冠

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工程設(shè)計(jì)中，帶頸對(duì)焊法蘭對(duì)焊端（或錐頸小端）厚度取決于管道壁厚，兩者相等。在帶頸對(duì)焊法蘭螺栓安裝載荷的計(jì)算過程中，往往會(huì)出現(xiàn)這樣一種情況：為了確保法蘭錐頸小端應(yīng)力不超過許用值，需要減小螺栓安裝應(yīng)力或增大管道壁厚。但螺栓安裝應(yīng)力不能無(wú)限制地減小，因而通過增加管道壁厚以增加對(duì)焊端（或錐頸小端）厚度就成了最后的選擇。但在目前的管道壁厚設(shè)計(jì)中，并未考慮螺栓安裝工況，于是便產(chǎn)生了如下問題：帶頸對(duì)焊法蘭對(duì)管道壁厚是否有一定要求，也即是否存在某一個(gè)確定的值或者范圍是法蘭對(duì)焊端厚度不可逾越的？在滿足設(shè)計(jì)工況及規(guī)范要求（如GB50316[1]附錄D 對(duì)A1 類流體的管道壁厚有特殊要求）的前提下，管道壁厚是否可以盡可能的小而無(wú)其他限制？管道壁厚設(shè)計(jì)中，是否應(yīng)該考慮螺栓安裝工況？這些是工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域需要回答卻被長(zhǎng)期忽視的問題。

1 壁厚陷阱

對(duì)于某一確定規(guī)格和壓力等級(jí)的帶頸對(duì)焊法蘭，隨著管道壁厚的改變，法蘭錐頸大端和小端厚度（圖1）發(fā)生變化。在螺栓安裝載荷作用下，法蘭錐頸中的應(yīng)力隨壁厚改變不斷地進(jìn)行重新分配。隨著壁厚的變小，錐頸小端應(yīng)力逐漸增大，且應(yīng)力值的變化對(duì)壁厚減小的幅度會(huì)越來(lái)越敏感。但應(yīng)力并不總是隨著壁厚的減小而增大，這與端部尺寸變化導(dǎo)致的應(yīng)力重新分配有關(guān)。

圖1 帶頸對(duì)焊法蘭與管道焊接示意圖

桑如苞等[2]對(duì)壓力容器用長(zhǎng)頸法蘭在邊界條件下的應(yīng)力進(jìn)行深入分析，并給出了錐頸小端和對(duì)接筒體沿軸向的應(yīng)力分布情況，如圖2 左側(cè)陰影部分所示。同時(shí)提出了法蘭直邊段削薄理論：在筒體邊界上作用均布彎矩和橫向剪切力時(shí)，應(yīng)力沿筒體軸向具有急劇衰減的特性。若圓柱殼厚度沿軸向發(fā)生遞減，則應(yīng)力的衰減狀態(tài)將趨緩，甚至應(yīng)力會(huì)發(fā)生增大現(xiàn)象。應(yīng)力沿變厚圓柱殼長(zhǎng)度方向上的應(yīng)力分布與厚度相關(guān)，將法蘭直邊進(jìn)行一定程度的削薄，可以將應(yīng)力控制在一定的水平內(nèi)而不發(fā)生超應(yīng)力問題。

圖2 管道軸向與法蘭錐頸小端應(yīng)力的變化

對(duì)于管道常用的帶頸對(duì)焊法蘭，其力學(xué)模型與文獻(xiàn)[2]所述削薄直邊處理的長(zhǎng)頸法蘭相同。對(duì)于某一確定規(guī)格的管道，當(dāng)管道壁厚減薄時(shí)，法蘭的錐頸小端和大端厚度均隨之減小，錐頸小端相當(dāng)于發(fā)生了圖2 中右側(cè)相對(duì)于左側(cè)的下移，原錐頸小端的應(yīng)力位置也向下移動(dòng)，應(yīng)力重新分配?！跋鞅〉闹边叾巍币舶l(fā)生了下移，相當(dāng)于造成錐頸高度變小。錐頸厚度和高度的減小必然導(dǎo)致錐頸小端應(yīng)力發(fā)生改變。隨著管道壁厚的繼續(xù)減小，管道軸向上的應(yīng)力曲線繼續(xù)下移，很可能會(huì)出現(xiàn)錐頸小端應(yīng)力方向的改變，由正轉(zhuǎn)負(fù)，如圖2 右側(cè)所示。

基于帶頸對(duì)焊法蘭的錐頸小端厚度等于管道壁厚，大量計(jì)算表明，任一標(biāo)準(zhǔn)帶頸對(duì)焊法蘭（CLASS 系列或PN 系列）錐頸小端的應(yīng)力（切向應(yīng)力和軸向應(yīng)力）隨管道壁厚的變化情況均存在類似于圖3 所示的曲線。曲線中存在一個(gè)“應(yīng)力轉(zhuǎn)變關(guān)鍵點(diǎn)”，該點(diǎn)在1/ 1000 甚至1/ 10000 的壁厚變化區(qū)間內(nèi)。在這一極其微小的壁厚變化區(qū)間內(nèi)，應(yīng)力值由負(fù)轉(zhuǎn)正，甚至可能從一個(gè)負(fù)的極大值變?yōu)檎臉O大值，應(yīng)力出現(xiàn)劇烈變化。這里所指的極大值（正的或者負(fù)的）并非最大值（最大值一般很難求得，需要不斷地試算逼近最大值）。極大值是相對(duì)于法蘭材料的屈服強(qiáng)度而言的，是一個(gè)遠(yuǎn)高于屈服強(qiáng)度的數(shù)值，可能是成千上萬(wàn)倍于屈服強(qiáng)度。以法蘭材料ASTMA182- F304L為例,其屈服強(qiáng)度170MPa。文獻(xiàn)[3]詳細(xì)列出了法蘭各項(xiàng)應(yīng)力計(jì)算公式及相應(yīng)判據(jù)，這些公式均源自WRC Bulletin 538[4]。

圖3 帶頸對(duì)焊法蘭錐頸小端應(yīng)力與管道壁厚的相互關(guān)系

應(yīng)力轉(zhuǎn)變關(guān)鍵點(diǎn)附近存在一個(gè)應(yīng)力值不穩(wěn)定的較小區(qū)域，對(duì)于絕大多數(shù)帶頸對(duì)焊法蘭，該區(qū)域?qū)挾葍H為0.01～0.5mm。由于此區(qū)域范圍非常小，不容易被發(fā)現(xiàn)，但壁厚進(jìn)入該區(qū)域?qū)⒖赡艹霈F(xiàn)意想不到的破壞（因應(yīng)力值遠(yuǎn)高于屈服強(qiáng)度），故稱之為“壁厚陷阱區(qū)”,如圖3 所示。

壁厚陷阱區(qū)與法蘭厚度、法蘭高度、錐頸厚度比率（圖1 中g(shù)1/ g0）、直邊長(zhǎng)度（圖1 中L1或L0）、螺栓的配置情況等因素有關(guān)。壁厚陷阱區(qū)并不是出現(xiàn)在壁厚逐漸接近0 的過程中。在壁厚陷阱的左側(cè)，也并非就是隨著壁厚的減小而應(yīng)力值減小，也可能會(huì)出現(xiàn)超過屈服強(qiáng)度的高點(diǎn)，甚至出現(xiàn)多個(gè)。因此，工程上最好的辦法就是讓管道壁厚位于壁厚陷阱區(qū)的右側(cè)。

2 設(shè)計(jì)中需避免的壁厚陷阱

不太可能進(jìn)入該區(qū)域，因此不在此列出。從表1 可以看出，左側(cè)的壁厚與右側(cè)的壁厚相差1/ 1000mm，且表中左側(cè)的應(yīng)力值為負(fù)，右側(cè)的應(yīng)力值為正。

表1 影響壁厚設(shè)計(jì)的應(yīng)力轉(zhuǎn)變關(guān)鍵點(diǎn)所在壁厚區(qū)間

工程設(shè)計(jì)中，壓力等級(jí)為CL150 至CL300 的不銹鋼管線，DN50—DN600 的管道壁厚取值通常為SCH10S（ASME B36.19/ 36.19M）[6]。壓力等級(jí)為CL150 的應(yīng)力轉(zhuǎn)變關(guān)鍵點(diǎn)較?。ㄒ姳?），SCH10S 對(duì)應(yīng)的壁厚跨過了壁厚陷阱區(qū)，已進(jìn)入圖3 中的安全區(qū)。而對(duì)于CL300 等級(jí)的管線，DN350—DN600 的管道壁厚取值與位于壁厚陷阱區(qū)中的應(yīng)力轉(zhuǎn)變關(guān)鍵點(diǎn)非常接近，若考慮實(shí)際供貨偏差，則很容易落入壁厚陷阱區(qū)。壓力等級(jí)為CL600、CL900 的不銹鋼對(duì)焊法蘭對(duì)焊端厚度取值也可能存在SCH10S 的情況，比如高低壓變等級(jí)的地方，此時(shí)部分規(guī)格壁厚取值與壁厚陷阱區(qū)域非常接近或者沒有跨過壁厚陷阱區(qū)域，這是危險(xiǎn)的，需要極力避免。

表2 應(yīng)力轉(zhuǎn)變關(guān)鍵點(diǎn)所在壁厚區(qū)間 mm

3 直邊長(zhǎng)度對(duì)壁厚陷阱區(qū)的影響及對(duì)策

3.1 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)焊法蘭直邊長(zhǎng)度現(xiàn)狀及影響

對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)帶頸對(duì)焊法蘭，PN 系列已規(guī)定好了含坡口在內(nèi)的對(duì)焊端直邊長(zhǎng)度，錐頸厚度比率是唯一影響壁厚陷阱區(qū)的可變因素。而對(duì)于CLASS 系列對(duì)焊端直邊長(zhǎng)度是不固定的。

ASME B16.5 在2017 年及其以前的版本中，對(duì)于帶直邊的對(duì)焊法蘭均只規(guī)定了法蘭對(duì)焊端直邊長(zhǎng)度(不含坡口在內(nèi))不低于6.4mm，但卻沒有規(guī)定直邊段的最大值，僅僅以錐頸與直邊夾角不超過45°來(lái)限制直邊長(zhǎng)度。這留下了一個(gè)漏洞，使制造商有較大的操作空間，這意味著買到的同一個(gè)壓力等級(jí)和規(guī)格的帶頸對(duì)焊法蘭，其直邊長(zhǎng)度或是錐頸特性可能顯著不同。所幸ASME B16.5- 2020[7]已將這一漏洞補(bǔ)上，限制了直邊長(zhǎng)度（不含坡口）的最大值為12.7mm。

不同的直邊長(zhǎng)度會(huì)形成不同的法蘭錐頸特性，進(jìn)而會(huì)影響壁厚陷阱區(qū)的位置和大小。如圖1 中的虛線所示，相比于有直邊的對(duì)焊法蘭，不帶直邊(實(shí)質(zhì)上是將法蘭的錐部延伸到了對(duì)焊端，或是看作將一個(gè)較厚的直邊作了削薄處理)會(huì)使得法蘭的錐頸角度更為平緩，錐頸大端和小端之間的錐部區(qū)域厚度更厚，法蘭在螺栓載荷作用下的受力情況更好。對(duì)于表1、表2 中CLASS 系列法蘭，應(yīng)力轉(zhuǎn)變關(guān)鍵點(diǎn)所在壁厚區(qū)間的得出是基于法蘭不含坡口在內(nèi)的直邊長(zhǎng)度（圖1 中L0）不超過10mm，且含坡口在內(nèi)的直邊長(zhǎng)度（圖1 中L1）不超過20mm。

3.2 工程設(shè)計(jì)中的對(duì)策

HG/ T20615- 2009[8]鋼制管法蘭（CLASS 系列）尚未升版，其對(duì)直邊段的規(guī)定與ASME B16.5- 2017 及以前的版本相同。因此設(shè)計(jì)人員在采用HG/ T20615 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，需要在設(shè)計(jì)文件中至少按照ASME B16.5- 2020 的要求增加相應(yīng)的限制條件，嚴(yán)于ASME B16.5- 2020 是更為科學(xué)的，直邊長(zhǎng)度越短越好，前提是不改變法蘭高度。

值得一提的是，有少部分規(guī)格的壁厚陷阱區(qū)比較大，區(qū)域?qū)挾瓤赡艹^10mm，如CL300—CL600 等級(jí)的DN400—DN600 帶頸對(duì)焊法蘭。這部分帶頸對(duì)焊法蘭需要根據(jù)工況仔細(xì)核算螺栓載荷，可能需要較大的管道壁厚。對(duì)于不銹鋼等一些比較貴重的材料來(lái)說(shuō)，為了滿足螺栓載荷（以便實(shí)現(xiàn)法蘭接頭可靠密封）而增大壁厚顯然是不劃算的。比較合適的做法是，對(duì)這部分帶頸對(duì)焊法蘭宜取消直邊段（不能因取消直邊段而減小法蘭高度），即法蘭錐部宜按圖1 中虛線設(shè)計(jì)。如圖1 所示，取消直邊段后法蘭的錐頸特性有所改變，改善了法蘭的受力情況，因此可以極大地降低壁厚。以材質(zhì)為A182- F304L、公稱直徑為DN400 的CL300 (ASME B16.5)帶頸對(duì)焊法蘭為例，在最大280MPa 螺栓載荷作用下 (墊片密封參數(shù)m 按GB/ T38343 取值為7), 當(dāng)法蘭對(duì)焊端直邊段長(zhǎng)度為12mm 時(shí)，滿足法蘭應(yīng)力校核的管道壁厚為12.7mm；而當(dāng)直邊段長(zhǎng)度為0 時(shí)，壁厚為8.2mm 即可滿足要求。

留出直邊段除了方便現(xiàn)場(chǎng)與管道進(jìn)行組對(duì)外，直邊段的存在也利于射線拍片時(shí)在射線底片上能夠清晰分辨出管道與法蘭對(duì)焊端的界限，便于評(píng)片。除此之外，直邊段實(shí)際上并無(wú)太大存在的必要, 比如ASME B16.47[9]大尺寸鋼制管法蘭并無(wú)直邊。相較于少去直邊段卻能極大地節(jié)約材料來(lái)說(shuō)，前述兩個(gè)便利顯得微不足道。

對(duì)于某些無(wú)毒無(wú)害的介質(zhì)（如脫鹽水），可以犧牲一些密封性能而進(jìn)一步降低管道壁厚。墊片密封參數(shù)m=7視工況降低為m=3～6，也可以進(jìn)一步降低壁厚。在不考慮設(shè)計(jì)溫壓對(duì)壁厚影響的情況下，仍以材質(zhì)為A182- F304L 的法蘭為例，公稱直徑為DN600 的CL300帶頸對(duì)焊法蘭的管道壁厚可由m=7 時(shí)的17mm 降低為m=3 時(shí)的SCH- STD(9.53mm)，對(duì)應(yīng)最大螺栓安裝應(yīng)力為165MPa(最小螺栓安裝應(yīng)力為132.7MPa)；公稱直徑為DN500 的CL600 帶頸對(duì)焊法蘭的管道壁厚可由m=7時(shí)的20.7mm 降低為m=3 時(shí)的SCH- XS (12.7mm)，對(duì)應(yīng)最大螺栓安裝應(yīng)力為230MPa (最小螺栓安裝應(yīng)力為170MPa)；公稱直徑為DN600 的CL600 帶頸對(duì)焊法蘭的管道壁厚可由m=7 時(shí)的24.3mm 降低為m=3 時(shí)的SCH- XS (12.7mm)，對(duì)應(yīng)的最大螺栓安裝應(yīng)力為185MPa(最小螺栓安裝應(yīng)力為170MPa)。這是這幾個(gè)規(guī)格帶頸對(duì)焊法蘭錐頸小端（或?qū)付耍┖穸鹊淖钚∪≈怠?/p>

4 結(jié)論

（1）管道壁厚設(shè)計(jì)中，除了滿足設(shè)計(jì)工況和規(guī)范要求外，還應(yīng)考慮螺栓安裝載荷的影響，壁厚不滿足要求時(shí)應(yīng)視工況降低螺栓安裝載荷或增大管道壁厚。管道壁厚設(shè)計(jì)（或?qū)付撕穸龋┤≈禃r(shí)應(yīng)至少在表2 中管壁厚給定值的基礎(chǔ)上增加0.5mm，以便跨過帶頸對(duì)焊法蘭的壁厚陷阱區(qū)。

（2）CLASS 系列帶頸對(duì)焊法蘭，不含坡口在內(nèi)的直邊長(zhǎng)度不宜超過10mm，且含坡口在內(nèi)的直邊長(zhǎng)度不宜超過20mm。直邊長(zhǎng)度越短越好，因?yàn)闇p小直邊長(zhǎng)度（不能因直邊長(zhǎng)度減小而減小法蘭高度）可以在實(shí)現(xiàn)相同的密封性能前提下降低管道壁厚，從而節(jié)省材料。

（3）CL300—CL600 等級(jí)的DN400—DN600 帶頸對(duì)焊法蘭不宜有直邊段（不能因取消直邊段而減小法蘭高度），管道壁厚取值應(yīng)大于SCH10S(ASME B36.19M)。對(duì)于法蘭對(duì)焊端厚度（或管道壁厚），公稱直徑為DN600 的CL300 法蘭最低為SCH- STD (9.53mm)；公稱直徑為DN500—DN600 的 CL600 法 蘭 最 低 為 SCH- XS(12.7mm)。