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ASME PCC -1-2010 《壓力邊界螺栓法蘭連接安裝指南》的解析
2022-12-30
在化學、煉油、石化和核電裝置中，壓力容器和壓力管道大量應用螺栓法蘭連接，航空和航天設備中也廣泛使用螺栓法蘭連接。由于螺栓法蘭連接數量龐大且工況復雜，法蘭連接系統的泄漏事故也不斷增多，法蘭接頭泄漏造成的直接經濟損失每年都達上億元［1］。螺栓法蘭連接看似簡單，實際卻十分復雜，除墊片材料的力學性能呈現非線性和永久變形外，還表現在內壓作用下法蘭的偏轉和墊片應力的變化［2］以及接頭的短時間松弛［3］，這些都潛伏著泄漏風險; 當法蘭承受復雜外載荷作用時，更容易發生泄漏［4 － 5］。對法蘭的安裝缺乏有效的管理是法蘭在使用過程中發生泄漏的一個最重要原因［6］，一些法蘭甚至在安裝期間就出現了墊片壓潰或法蘭過載變形等失效形式［1］，還有些法蘭在壓力試驗后就發生泄漏［7］。
????鑒于法蘭安裝的重要性，ASME 于2000 年首次發布了《壓力邊界螺栓法蘭連接安裝指南》［8］，2010 年又發布了修訂版［9］。考慮到國內缺乏相應的標準，文中重點對新版指南的特點進行介紹和分析。
1 PCC － 1—2010 法蘭安裝指南簡介
????ASME 于1993 年成立了后建造特別任務組( Ad Hoc Task Group on Post Construction) 以應對在役設備檢查和維護的工程標準起草工作。1995年，ASME 的壓力技術規范和標準部成立了后建造委員會( Post Construction Committee，PCC) ，為在役的承壓設備和管道提供檢查和管理相關的規范和標準。2000 年，PCC 首次發布了ASME PCC－ 1《壓力邊界螺栓法蘭連接安裝指南》( 以下簡稱“指南”; 另，PCC － 2 為壓力容器和管道修復標準( Repair of Pressure Equipment and Piping Standard)，PCC － 3 為基于風險方法的檢查計劃標準( Inspection Planning Using Risk － Based Methods Standard) ) ; 2010 年又頒布了修訂版，值得注意的是，該指南經美國國家標準協會( ANSI) 批準作為美國國家標準。PCC － 1—2010 版指南的內容包括16 個正文章節和16 個附錄。
1． 1 正文
????1 范圍; 2 引言; 3 安裝人員的培訓、資質和發證; 4 法蘭和緊固件接觸表面的清理和檢查; 5 法蘭接頭的找正; 6 墊片的安裝; 7 工作面的潤滑; 8螺栓的安裝; 9 使用單個工具緊固螺栓的編號; 10螺栓的緊固; 11 使用單個工具緊固螺栓的順序;12 扭矩的確定; 13 接頭耐壓和泄漏試驗; 14 記錄; 15 接頭的拆卸; 16 參考文獻。
1． 2 附錄
????A 關于法蘭接頭安裝人員資質的說明; B 法蘭接頭安裝方法認定的建議; C 各種墊片推薦的接觸表面粗糙度; D 墊片接觸表面允許平面度和缺陷深度指南; E 法蘭接頭找正指南; F 替代傳統的緊固順序和方式; G 使用螺栓安裝服務的專業承包商; H 螺栓根部和拉伸應力面積; I 螺栓緊固的交互作用; J 安裝螺栓扭矩的計算; K 安裝螺栓扭矩的螺母系數計算; L ASME B16． 5 法蘭的螺栓信息; M 整體硬化的螺栓墊圈使用指南和購買技術要求; N 重復使用螺栓的定義、注釋和指南; O安裝螺栓應力的確定; P 法蘭接頭泄漏故障檢查和排除的指南。
????顯然，與初版相比，新版附錄功能非常強大，這些附錄充分體現了最新的技術進展和安裝經驗，特別是在法蘭安裝人員的培訓、墊片和法蘭表面質量要求、法蘭找正要求、螺栓緊固方法都進行了大范圍的修訂。此外，新版還新增加了幾個附錄。新版內容比2000 年版的增加了近1 倍。
2 新版指南的修訂依據
2． 1 吸取過去泄漏實踐經驗
????2010 年版指南體現了墊片、螺栓和法蘭連接理論研究、設計計算和生產實踐的最新進展。工業裝置中的實踐經驗表明，螺栓法蘭連接出現的泄漏現象有時只要對法蘭的安裝過程做少量改進就可避免。新版指南吸取了這些實踐經驗，例如第7 章“工作面的潤滑”中規定: 在對螺栓和螺母施加潤滑劑前，螺母應能自由轉動; 還規定了安裝前應去除螺母表面過度的涂層; 吸取了發生多起使用臨時墊片而導致墊片材料“吹出”擊傷安裝人員事故的教訓。在第13 章“接頭耐壓和泄漏試驗”中規定了不要使用未經設計的臨時墊片用作接頭的最終密封。
2． 2 體現最新理論研究成果
????在對螺栓法蘭連接堅持不懈和不斷深入的研究基礎上，新版在理念和方法等方面都吸納了十年來研究的新成果。這些成果反映在新版指南的眾多附錄中，如附錄D 做了大幅度的修改，初版中對法蘭表面質量要求只是基于法蘭的一般制造標準，而新版既考慮墊片的類型，又考慮安裝的經驗; 附錄E 中擴展了實用和有效的法蘭找正的要求; 增加了以下新的附錄: 附錄M 給出了整體硬化墊圈的使用和要求; 附錄N 給出了螺栓重復使用的要求; 附錄O 除保留原來的方法外，增加了新的確定安裝螺栓載荷的方法; 附錄P 增加了法蘭泄漏原因分析和建議改進方案。
????此外，新版關于螺栓緊固方法的正文中，基于廣泛的理論研究，在達到與傳統螺栓緊固方法有同樣完整性的要求下，給出了替代傳統方法的5種螺栓緊固方法，包括使用多個工具同時對螺栓進行緊固，體現了提高安裝質量、減少安裝工作和提高工作效率的思想［10］。
3 新版指南的技術特點
????新版指南在以下更新和增加的內容中，突顯了指南對保證螺栓法蘭連接總體性能的現代理念和技術特點。
3． 1 安裝人員的培訓、資質和發證( 附錄A)
????對安裝人員缺少培訓以及對法蘭連接缺乏標準化質量控制是法蘭接頭泄漏的主要原因［1］。為此，指南強調并不是任何人都可以從事法蘭安裝工作，需要取得資質證書。事實上，任何承壓系統都有兩種主要的連接方式: 焊接連接和法蘭連接。從表1 中對兩種連接接頭質量控制的對比可以看出，只有對焊接接頭具有完善的質量控制要求，而對法蘭接頭沒有完整的質量控制要求。
焊接接頭有完善的質量控制措施是由于未采取這些措施之前焊接接頭發生頻繁失效和重大事故; 而法蘭接頭的泄漏雖然更頻繁，但因一方面認為泄漏不會引起災難性事故，另一方面認為法蘭接頭允許有少量的泄漏，只要控制在規定泄漏率的范圍內即可。因此，對法蘭泄漏以及由此造成的損失報告就顯得缺失。其實，法蘭接頭的泄漏同樣會引起重大的燃爆、中毒和人員傷亡事故，而現有的技術完全可以避免這些嚴重泄漏和災難性后果。????
????由于缺乏嚴格的安裝規程，即使發生法蘭接頭泄漏也很難找到真正原因。現代煉油、石化、發電等裝置向大型化發展，壓力容器和管道所用的法蘭數量不斷增加，而企業的迅速發展使臨時雇用人員也大量增加，而這些人員普遍缺乏基本的法蘭安裝知識。2000 版指南的附錄A 曾建議對法蘭安裝人員提供培訓并獲取資質證書，然而沒有給出具體的要求。為此，2010 版附錄A 要求對安裝人員進行統一的培訓和資質認定，規定了包括理論知識和實踐訓練的培訓內容以及評定程序，并要求有專職機構承擔發證工作。安裝人員資質分為3 個等級: 安裝工程師、高級工程師和培訓教員。取證時要求對法蘭安裝人員進行理論考試和操作考試，操作考試要求每個人至少安裝2 個法蘭接頭。由于現場操作是個人獲得安裝知識的重要來源，因此附錄也提出安裝人員應具有一定的現場經驗，要求有6 個月的工作經驗才可獲得安裝工程師的資格。資質證書的有效期為3 年。
????由此可見，如果附錄A 得到執行和推廣，法蘭安裝人員將有望像焊接人員一樣通過培訓和取證提高業務資質，并使螺栓法蘭接頭的完整性和密封性達到新的高度。
3． 2 墊片接觸表面的允許平面度和允許缺陷深度( 附錄D)
????附錄D 對2000 版進行了大范圍的改寫［11］。2000 版對法蘭與密封墊片接觸表面( 以下稱簡“密封面”) 的質量要求只考慮了密封面加工的質量要求，而沒有考慮墊片對密封面的質量要求。2010 版的附錄D 中提出了密封墊片可分為“軟墊片”和“硬墊片”兩大類型的概念( 軟墊片和硬墊片是按墊片在最終安裝螺栓載荷作用下產生的壓縮量的大小來區分) 。軟墊片的安裝壓縮量在1mm 以上，硬墊片的則要比它小得多。這也意味著，硬墊片對法蘭密封面平面度偏差的敏感性比軟墊片的大。因此，不同類型的墊片對法蘭密封面的平面度有不同的要求。表2 列出了軟墊片和硬墊片所需要的密封面平面度的允差。
同理，軟墊片和硬墊片對法蘭密封面上的局部缺陷( 點、坑、溝槽、凹痕、劃傷、腐蝕等) 的允許范圍也不同。表3 列出了法蘭密封面上允許的局部缺陷的深度和寬度( 徑向投影長度) 的要求( 表中符號的定義見圖1) 。
3． 3 螺栓的緊固順序和方式( 附錄F)
????2010 版附錄F 除保留了2000 版中的傳統螺栓緊固方法外，還給出了5 種緊固螺栓的替代方案，包括3 種單個工具緊固的方案和2 種多個工具同時緊固的方案。圖2 示出了24 個螺栓的傳統緊固方法。新的替代方法不是基于先進的安裝設備和技術，而是體現了多年來螺栓緊固方法的研究成果，這些方法減少了螺栓緊固的復雜性，以更快的速度達到安裝螺栓載荷，既提高了緊固螺栓的效率，又使墊片受力更趨均勻。在某些場合下，替代方法具有更好的緊固效果。但對于具體施工來說，要慎重選用這些替代方法。要對選擇的替代方法進行評估，對所安裝的法蘭連接系統進行仔細分析，考察替代方法是否更適合所安裝的法蘭連接系統。同時，選擇替代方法時，應考慮以下可能產生的問題: 墊片局部過載、不均勻緊固導致法蘭變形、墊片受力不均、安裝過程中墊片過分加載和卸載、安裝后法蘭面不平行。
????新版同時指出，傳統的星形緊固方式仍是標準的“最優”方法，這種方法已成功地應用于各種型式墊片的法蘭連接中，并在各個工業應用中顯示出對防止墊片損壞和減少泄漏事故的重要作用。新的替代方法中，除分單個工具或多個工具緊固外，基于緊固載荷步驟和螺栓緊固方式，實際分為兩大類型: 對傳統緊固方法的改進和所謂“四螺栓”緊固方法。下文中示出了單個工具安裝24 個螺栓的3 種替代方法。
3． 3． 1 傳統螺栓緊固方法的改進( PCC － 1 替代方案1 和2)
????這兩個方案都是對傳統方法的改進，其中替代方案1 的螺栓緊固方式依然采用傳統星形方式( 緊固順序見圖2) ，但先在20% ～ 30% 的安裝螺栓力矩下緊固4 個螺栓，然后升到下一50% ～70%的安裝螺栓力矩水平緊固下一組4 個螺栓，最后用100%的安裝螺栓力矩緊固所有螺栓。所以，方案1 的螺栓載荷增加較快，減少了緊固次數和工作量。這一方法在某些場合已經成功地應用于所有型式的墊片和法蘭連接中。
( 2) 替代方案2
????替代方案2 的緊固步驟類似方案1，只是緊固方式不同于傳統星形方式，而是按螺栓順序號以交叉方式( 見圖3) ，這樣不需要裝配者在法蘭上對螺栓進行編號。
3． 3． 2 四螺栓緊固方法( PCC － 1 替代方案3)
????這種方式實際上是在最后用100% 安裝螺栓力矩，按環繞圓周方式依次緊固螺栓之前，先分3步依次緊固4 個螺栓，如圖4 所示。這種方式更加簡單，既不需要裝配者在法蘭上對螺栓進行編號，又通過減少從法蘭一邊跑到另一邊的走動，達到減少工作量的目的。這種方法已用于部分煉油廠硬墊片的法蘭接頭中。
3． 3． 3 多螺栓同步緊固方法( 替換方法4 和5)
????采用多個緊固工具的多螺栓同步緊固方法可以減少對墊片的損傷。多個螺栓同步緊固方法與單工具交叉緊固方法相比更簡單，且有更好的緊固效果。這種方法在某些場合已經成功地應用于所有型式的墊片和法蘭連接，通常用于煉油和石油化工部門。
3． 3． 4 替代方法評述
????傳統螺栓緊固方法中要求隔4 h 后再緊固一次，而5 種替代方法中均取消了這一步驟。對大多數型式的墊片來說，法蘭接頭在開車后運行初期，墊片才發生松弛，安裝4 h 后再緊固收效不大。替代方法中都規定最后連續緊固直到螺母不再松動為止。
????螺栓的緊固次數與所使用的墊片也有關，對于壓縮量大的軟墊片需要更多的緊固次數。有些墊片最后按繞圓周方式緊固的次數可能達到10遍以上( 直到螺母不再松動為止) ，因為每一遍緊固，螺母都有少許的松動。
3． 4 整體硬化螺栓墊圈的使用和采購技術要求( 附錄M)
? ? 附錄M 是2010 版的新增內容。在ASME《鍋爐和壓力容器規范》、ASME“B31． 1 動力管道”和“B31． 3 化工管道”中不強制規定螺栓必須使用墊圈。ASME PCC － 1 雖規定墊圈可以任選，然而PCC － 1 也說明，使用整體硬化的墊圈為螺母提供了光滑和低摩擦的承載表面，提高了力矩扳手的緊固效率，也減輕了對法蘭和螺母承載表面的損傷。但有些墊圈只是對表面進行硬化處理，較軟的心部會產生塑性變形導致墊圈瓢曲和減薄［12］，而使螺栓緊固載荷損失，因此不推薦使用這種墊圈。
????附錄M 列出了供不同工作溫度使用的4 類墊圈材料( 見表4) ，墊圈的硬度在38 ～ 45 HRC之間。在較低的溫度下可以選用碳鋼墊圈，稍高溫度下選用低合金鋼( UNS G41300 或G41400) 。對更高工作溫度下的墊圈，理想的材料是奧氏體不銹鋼，但奧氏體不銹鋼的硬度較低，為此選用馬氏體不銹鋼( UNS S4100) 。因馬氏體不銹鋼的耐腐蝕性能比奧氏體不銹鋼低，故附錄中又增加了沉淀硬化不銹鋼( S17400) ，該材料有很高的抗腐蝕性能，但不能達到馬氏體鋼的硬度，為此規定該材料的硬度在33 ～ 42 HRC 之間。
3． 5 安裝螺栓載荷的確定( 附錄O)
????附錄O 是2010 版的新增內容，2000 版沒有提供確定安裝螺栓載荷的方法。新版在考慮法蘭連接總體性能的前提下，提出了確定安裝螺栓載荷的兩種方法: ( 1) 簡易的方法。這種方法便于應用，但法蘭連接的個別元件可能發生損壞; ( 2)較復雜的、基于連接各元件的完整性方法。對于第一種方法，先要基于最小泄漏率要求，確定安裝墊片應力( 從墊片制造商處獲得) ，于是安裝螺栓載荷由下式確定:
第二種方法是在第一種方法基礎上，進一步考慮了法蘭接頭中各個元件的極限承載能力、保證密封需要的墊片應力、所有操作載荷和墊片松弛等情況。附錄O 基于ASME 規范中法蘭的彈性分析和近幾年的彈塑性有限元分析對法蘭強度和剛度的計算結果，列舉了ASTM SA105 和SA －182 F304 鋼制的ASME B16． 5 和B16． 47 系列A的標準法蘭的安裝螺栓應力。這些安裝螺栓應力是通過限制法蘭應力和法蘭環偏轉角確定的。過高的安裝螺栓應力導致法蘭承受嚴重的塑性變形( GPD) ，以至法蘭環產生永久偏轉變形，此變形造成墊片局部應力的增大，最終因墊片壓潰，使接頭發生泄漏。但是，如果一味對法蘭強度采取過分保守的限制，將不利于提高安裝螺栓載荷，而導致法蘭接頭總體性能的降低。當安裝螺栓載荷超過計算螺栓載荷的5% ～ 10%，不會導致法蘭發生大的事故，況且少量的法蘭永久偏轉變形，也不會影響法蘭接頭的總體性能。事實上，螺栓緊固過程會受法蘭彈性變形的顯著影響，緊固后螺栓的載荷最大會降低到原來的95%［14］，因此需要適當提高安裝螺栓載荷。附錄O 給出了安裝螺栓應力的上限和下限。限制螺栓安裝的最高應力是為避免螺栓或法蘭以及墊片發生損壞。最高安裝螺栓應力一般控制在螺栓室溫屈服強度的40% ～ 70%; 而限制螺栓安裝的最低應力是為了避免因安裝螺栓載荷計算的不精確而導致安裝螺栓應力過低，從而降低法蘭接頭的密封性。安裝螺栓應力的下限一般控制在螺栓室溫屈服強度的20% ～ 30%。
????附錄O 還給出了按此法確定安裝螺栓載荷的8 個步驟和算例，以及構建的一部分ASME B16． 5 帶頸法蘭( 法蘭材料ASTM SA10，螺栓材料SA193 － B7 和帶內環的纏繞式墊片) 的安裝螺栓力矩表。
????第二種方法充分考慮了保證法蘭結構的完整性和控制法蘭接頭密封性兩方面的要求，但計算安裝螺栓載荷之前，需要從工業試驗或制造廠商處獲得以上計算所需的完整信息。
3． 6 法蘭接頭泄漏故障檢查和排除的指南( 附錄P)
????附錄P 也是新版新增內容，旨在幫助使用者了解法蘭接頭泄漏的原因，做出正確的判斷和選擇，加深對法蘭接頭總體性能的認識［13］。
????附錄P 包含三部分內容: 調查和診斷指南;法蘭設計和實際操作的檢查項目; 與服役時間相關的泄漏診斷以及解決措施的表格。調查和診斷指南部分列出了調查內容，而調查準確性取決于安裝記錄的完整性、操作和維護的了解程度，如指南第14 章給出了14 項法蘭安裝記錄信息，這些信息對判斷法蘭的接頭的泄漏非常重要; 而第二部分內容包括了考慮載荷( 如外載荷、溫度變化導致的溫差應力等) 、螺栓材料、螺栓間距和法蘭接頭型式等檢查項目。最后，給出了一系列在各種工況下的泄漏原因及應采取的措施。
4 結語
????螺栓法蘭連接是壓力容器和管道的重要組成部件，高質量的螺栓法蘭連接對保障壓力容器和壓力管道的安全運行具有重要的影響，每年一次的美國ASME 學術會議都有不少與螺栓法蘭連接相關的論文進行交流。這些論文反映了國外眾多研究機構長期以來所做的研究工作，諳熟了保證法蘭接頭的強度和密封的技術關鍵。這些研究成果也陸續進入到設計規范和標準中，也反映到建造后的安裝檢驗與維修規范中，體現了法蘭接頭結構完整性和連接密封性保障技術的重大進步。
??? ASME 制訂的PCC － 1 即是一例，日本和歐盟已經或正在制訂相應的標準。國內在螺栓法蘭連接方面的研究與國外尚有較大差距，特別是在螺栓法蘭安裝方面應引起院校、企業和工程界的重視和研究，并也應制訂出相應的標準。
