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 一种全新的管道连接方式

成都植源机械科技有限公司   徐志 侯亮平


高压自紧式法兰(以下简称ZY-LOC)是成都植源机械科技有限公司研发的新型法兰产品,获得:国家专利、国家重点新产品、特种设备许可证、中石化合格供应商、中国神华国产化研发合作伙伴等,产品可以广泛用于化工、石油化工、煤化工、冶金、船舶、军事、航空、航天等领域,规格从DN25-DN600,共计16种,压力90MPa以下,温度-100℃--600℃以内,材料可根据工艺条件选定。高压自紧式法兰ZY-LOC与“传统法兰”相比,具有非常明显的优势,使用ZY-LOC取代“传统法兰”对于保证装置设备长周期安全稳定生产运行,延长使用寿命、节能、环保都有着直接影响。全球仅有美国GRAYLOC,英国VECTOR,意大利G-LOC,中国ZY-LOC四种同类型产品。


 一、ZY-LOC结构特点与传统法兰的比较

1.ZY-LOC结构组成

一套ZY-LOC高压自紧式法兰,由2个卡套(CLAMP)、2个套节(HUB)、1个密封环(SEALRING)和4套螺栓(BOLTING)组成(见图1)。 



图1 ZY-LOC高压自紧式法兰结构示意图
 
2. ZY-LOC和传统法兰的密封原理


1)传统法兰

我们将传统法兰都简化成平焊法兰作结构受力分析,见图2。



图2传统法兰结构受力分析
 
金属垫片往往材质的硬度都比法兰更软,在螺栓预紧力作用下,使密封垫受到挤压变形,密封面上凹凸不平的微隙被填满,阻止了介质泄漏,以达到密封的作用,属于“软密封”。


由于密封面垂直于管道中心线,连接螺栓平行于管道中心线,这就势必带来下述两个影响:

A、带压运行时,管道内压将使密封面沿管道方向松弛,从而降低了连接处密封性能,因此,势必加大了安装时螺栓预紧载荷,从而相应也加大了法兰盘所能承受的法兰弯矩,所以法兰的结构尺寸也就显得粗大,即使这样,也无法避免法兰连接在工作状态下的密封比压要较预紧状态下更低这一严重缺陷。

B、由于连接螺栓平行于管道方向,因此在运行状态下所产生的管道系统附加载荷,诸如:管道拉伸压缩、压力波动、弯矩、扭矩、冲击等,将首先直接由法兰连接螺栓承担,同样导致法兰连接预紧效果的下降,而影响连接的密封性能。这就是传统法兰管道系统(特别是在高温高压下)很难完全杜绝跑、冒、滴、漏的根本原因。

成都植源机械科技有限公司,自主研发的高压自紧式法兰ZY-LOC对传统法兰的密封方式进行了根本改变,大大提高了管道连接的全面品质。


2)ZY-LOC        

 
图3 ZY-LOC的结构装配及密封原理 
    
ZY-LOC的结构装配及密封原理见图3所示。高压自紧式法兰是靠密封环的唇部(T形臂)的几何弹性变形形成密封,属于硬密封,密封环采用T型结构,巧妙的设计,使“筋”和“唇”两部分结构分别发挥不同作用, “筋”承担强度,“唇”承担密封。 “筋”与套节、卡套、管道形成一个整体,“唇”与HUB在两次机械外力作用下,形成一个几何变形弹性密封(第一次机械外力由螺栓紧固形成,第二次机械外力由管道内压P形成),此时,卡套成了主要受力元件(不同于传统法兰的主要受力元件是螺栓),螺栓成了辅助受力元件,这种结构可以使其T型密封环在360°方向均匀受力。由图3可以看出:


a)α<β,在外力作用下,T型密封环的“唇”与HUB越压越紧,形成自紧密封。

b)当螺栓紧固时,h变小趋于零,形成初始密封,管道内压P不断升高或波动,T型密封环向外膨胀或收缩,T型臂(唇)弹性变化形成自紧式密封。   

c)T型环在强大的HUB保护作用下,360°方向均匀受力,不受其他外力的干扰,T型臂如同弹簧,只要不超过它的屈服极限σs,反复使用都有效(见图4)。

d)T型环材质可以比HUB(法兰)硬度更高,强度更高,综合机械性能更好,全由T型臂的几何尺寸弹性变化形成密封,属刚性“硬密封”。

e)F、F1、F2直接作用,没有传统法兰存在的力臂H,故而没有力矩M,使其体积大大减小。第一次机械外力F:是由螺栓拧紧引起第二次机械外力:是由管道内压P引起

图4 T形环在两次机械外力作用下的“弹簧理论”   

f)密封唇环锥面之最终径向压缩、扩张,被严格控制在弹性变形范围,从而使环唇与套节HUB锥孔内锥面形成了一定的过盈配合产生了接触压强,此即初始的(或装配的)密封比压y0(MPa)在管系中当管道内压上升时,密封唇部将因内压作用而向外扩张,使密封面上之比压上升,从而增强了密封的安全性,增强效果可用“自密封效率”η=△y/p

在常用的密封唇锥角范围内η=91%~98%

故在工作状态时真实的密封比压为:

y=y0+ηp  y≥y0

故工作压力越高,y也越高,可见自紧式ZY-LOC使工作内压p对密封比压y形成正反馈,这是传统法兰端面密封方式无法比拟的。

因为在管系中,当热膨胀及管道因内压而伸长等因素的管系热力计算后,某管段若是承受的轴向张应力σt,则传统法兰之端面密封比压降为粗略地说(y0-σt),反之若受压应力σp则此比压似乎应变为(y0+σt),但是此时因两法兰盘的弯曲转角减小(同时导致垫片上压力分布改变),而使连接螺栓预紧力下降,不但使螺栓易于松动外,此预紧力的下降,导致y0的下降,始终有y<y0。但上述两种情况均不会出现在自紧式ZY-LOC上。

g)卡套设计成几乎近360°的环抱套节(HUB),沿中心剖开,可使密封环与套节之间的装配夹持力分布平滑而受力都较均匀合理,卡套中部开有圆弧形槽,降低卡套刚度,使卡套作用在套节锥面应力分布均匀,四个联结螺栓垂直于管道轴线布置,卡套整体无特殊安装方位要求。

h)自紧式ZY-LOC的强度和刚度

与传统高颈法兰相比,由于密封原理的改变,力学结构设计得十分合理、紧凑、轻巧。

如密封环上的筋,除了起到精准定位而使密封唇不致过度压缩而形成失稳外,还能把压缩和弯矩载荷从一个套节传到另一个套节,就承担管系所能承受的极其严酷的荷载而言,筋的环面积还有充分富裕,因为它总比所连接的管道截面积大,所以,当ZY-LOC材料与管道材料相同时,其强度,远远高于管道自身及其所有的管道附件。

对管道扭转载荷而言,能经受住远远大于管道自身所能承受的扭矩,在一次破坏性试验中,相连管道已产生了与轴线成45°的裂缝,而ZY-LOC未有任何损伤。

对管道受弯矩载荷而言,几次试验结果证明,在严酷的弯矩条件下,ZY-LOC各部分未有任何松动或损伤,在一次现场工程检测中,焊于外径63内径49的长管道之中部的ZY-LOC,当其中点加载产生了1000mm的大挠度时,ZY-LOC无泄漏且其轴线保持水平。由于结构特点,四只螺栓垂直于管道将夹环卡住两对称,套节在输送高温物料温度对螺栓的影响很小,故该结构可用在高温高压的管道连接上,这是该产品又一大特色,经测试如管内物料360℃,螺栓的温度仅只160℃左右,因为介质的温度通过管道、卡套再传递给螺栓,已形成了梯度递减。

对压缩载荷而言,在运行管系的通常条件下,ZY-LOC的组成部件均不可能超载,因为管系的极限(破坏)载荷是由强度最薄弱的管道自身决定的,由此可见,自紧式ZY-LOC的密封及结构之安全性是十分可靠的。

i)占用空间小,重量轻。

因连接螺栓只有4个,故与传统高颈法兰相比较,ZY-LOC的外廊尺寸及重量均大大减小,如下表,下图5所示。

表1 相同额定参数下,ZY-LOC与传统髙颈法兰对比  

表中ANS1为美国工程师学会标准,JB/ZQ4465-2006为中国国家标准。由表1及图5可见,自紧式ZY-LOC外径较小,长度较短,且因卡套无特定安装周向方位要求,以及只有4个无需对中螺栓孔的拧紧螺栓,故对安装时所需操作空间要求不大,自身所占物理空间也小。

这些特点对整个管系的合理设计,无异提供了优良条件。

j)节省投资及运行费用。工程实践证明,在拆(装)一个传统高颈法兰的时间内,可拆(装)3-8个ZY-LOC,且预紧扭矩约为传统法兰的70%,减少了安装的劳动负荷和工时。

一经安装投产后,不要求定期性的重复预紧螺栓,减少维护保养工作量。

由于密封唇变形严格控制在弹性范围,故密封环可多次重复使用,ZY-LOC的卡套和套节更是无需更换,故其所需的备用零部件库存量大大减少。

k)与其他设备、部件的连接方便易行,更可靠。

与自紧式法兰ZY-LOC配套的各种管道附件,如三通、弯头、阀门、孔板、试压盲头、切换用盲板……等均有配套设计和产品。

其他,如:各种阀、泵、压缩机……乃至压力容器,只要在其接口处焊上ZY-LOC的一个套节,即可用ZY-LOC安全可靠的把它们连接进入装置系统之中。

即使由于种种原因,如:焊于设备出口接管上之接头(HUB),由于焊后热处理而使接头(HUB)锥孔失圆,只要误差不太大,仍能用ZY-LOC把它连接入管系,因密封环唇部本质上为一薄锥壳,且有相当的几何柔性,对接头(HUB)锥孔之形状误差具有相当的补偿能力,以及在内压扩张作用下,仍能形成安全可靠的接口密封,当然,这时的密封环要作专门的设计。


 二、ZY-LOC与国外同类产品比较:

1.全球各国的标准几乎都是参照美国的机械工程师协会ASME标准而制定的,其中我国GB150也是如此。考虑我国的金属材料的金相组织,p、s含量,综合机械性能以及抗腐蚀性能相比欧美发达国家尚存在一定差距,因此制定GB150时都偏于保守,安全系数较大,许用应力较低,腐蚀裕度较大等等。zy-loc正是以GB150进行设计的,但关键部位的材料又选用进口的欧美发达国家的,因此相比国外同类产品更安全。

2.国外产品设计时允许有10-15%的塑性变形,他们认为都是安全可靠的,而ZY-LOC的设计全部控制在弹性变形范围,更安全,对变形的补偿能力更强。

3.全球仅有美国grayloc,英国vector,意大利g-loc,中国zy-loc四种同类型产品,虽然基理一样,但从密封角度,密封带的宽度,以及防冲刷保护套的结构都不一样,不可以互换。

4.zy-loc供货周期短,原则上只需三个月左右,因为制造时间最长的卡套我们已经开成了模具,精锻造出的卡套成型,质量非常好,国外产品供货周期一般都在半年以上或更长。

5.能及时解决现场各类生产、工程问题,鄂尔多斯煤制油,泸州川天化,新疆美克都是最好的见证。

6.zy-loc价格相比国外产品正常报价低三分之一。 


三、ZY-LOC的实际应用实例:

1.在中国神华世界第一套100万吨/年级直接液化煤制油鄂尔多斯装置上,规格从DN15~DN600,压力P=28MPa,温度470℃,材质从碳钢到不锈钢(304、316L、347H、高温合金钢A638),ZY-LOC从2008年投产运行至今非常好。鄂尔多斯煤制油装置在工程建设安装时期,采用国外三大品牌(GRAYLOC、VECTOR、G-LOC)的法兰,出现了各种规格繁多,各种零部件丢失,影响工期,“成都植源”及时救场,根据国外各品牌的结构不同,设计理念不同,再设计制造与之配套的ZY-LOC,满足了鄂尔多斯第一期工程的及时需要。另外,印度制造的加氢反应器上接口DN450F321制造时热处理不当使HUB(套节)变形,安装时密封装不上,高价请来国外专家长时间解决不了问题。工程部为难之时,又是“成都植源”用中国人的设计理念,用补偿法做了一个异形密封环,解决了难题,使用至今非常好!

大连金重在2010年他们承接的白俄罗斯一套煤制烯烃数台高大设备上全选用ZY-LOC,出口使用至今没有任何问题。

2.四川江源机械公司承接陕煤集团下属的6万吨/年、10万吨/年1.4-丁二醇(BDO)项目中,P=35MPa、介质易燃易爆的主体设备上全部选用ZY-LOC。

3.“ 新疆美克”10万吨/年1.4-丁二醇装置原采用GRALOC,但在使用中出现了大量的问题,他们派4人专程来“成都植源”咨询考察,公司也派出技术人员到现场指导服务,最后,他们认为成都植源才是真正研发、制造、及时解决现场问题的公司,提出逐步用ZY-LOC换掉GRAYLOC,第一批订单的ZY-LOC已迅速发往了新疆。

4.陕西比迪欧化工10万吨/年1.4-丁二醇招标时,由于国外专利商等多种因素干扰,向业主提出:只能用国外产品,否则,工程质量没有保障,无奈,业主通过中间商选用了进口GRAYLOC,但供货根本没有信誉,施工现场紧急补单各种规格几十套ZY-LOC,要求25天交货,成都植源加班加点满足了甲方需要。

5.四川泸州川天化6万吨/年1.4-丁二醇(BDO)项目,已经使用投产近一年,其中,规格大的、结构复杂的,选用的ZY-LOC至今无任何问题,相反,GRAYLOC已经频频出问题,正在向成都植源紧急补单。

6.ZY-LOC用在湖北华强化工集团(合成氨、尿素)、四川自贡鸿鹤化工(合成氨、烧碱)和唐山钢厂(轨钢车间)等单位使用多年效果非常好,没有一例不良记录。 

如今,ZY-LOC已经使用在国家的高端装置上,如:世界顶级苛刻工艺条件的煤直接液化制油项目、中石化炼油的加氢、重振项目,以及合成氨、尿素、轧钢、热电的过热蒸汽管道,用在美国莱克勒的冶金,瑞士苏而寿的泵业,土库曼斯坦的石油、阿曼的海上石油,白俄罗斯的煤化工……,数以千计的ZY-LOC,没有一例不良记录,为国家赢得了实质性的荣誉!填补了我国这一领域的空白。

总之,ZY-LOC这一新型的管道连接方式,从根本上解决了“传统法兰”连接的各种弊端,完全具备了替代当今最先进进口法兰的能力,具有广泛的市场空间,是一项值得政府推动的安全、节能、环保项目。                                                                                                              


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