一種全新的管道連接方式

成都植源機械科技有限公司   徐志 侯亮平

高壓自緊式法蘭（以下簡(jiǎn)稱(chēng)ZY-LOC）是成都植源機械科技有限公司研發(fā)的新型法蘭產(chǎn)品，獲得：國家專(zhuān)利(專(zhuān)利號及類(lèi)型如下)、國家重點(diǎn)新產(chǎn)品（2011TJF00005）、特種設備許可證、中石化合格供應商、中國神華國產(chǎn)化研發(fā)合作伙伴等，產(chǎn)品可以廣泛用于化工、石油化工、煤化工、冶金、船舶、軍事、航空、航天等領(lǐng)域，規格從DN25-DN600，共計16種，壓力90MPa以下，溫度-100℃--600℃以?xún)?，材料可根據工藝條件選定。高壓自緊式法蘭ZY-LOC與“傳統法蘭”相比，具有非常明顯的優(yōu)勢，使用ZY-LOC取代“傳統法蘭”對于保證裝置設備長(cháng)周期安全穩定生產(chǎn)運行，延長(cháng)使用壽命、節能、環(huán)保都有著(zhù)直接影響。全球僅有美國GRAYLOC，英國VECTOR，意大利G-LOC，中國ZY-LOC四種同類(lèi)型產(chǎn)品。

一、ZY-LOC結構特點(diǎn)與傳統法蘭的比較

1.ZY-LOC結構組成

一套ZY-LOC高壓自緊式法蘭，由2個(gè)卡套（CLAMP）、2個(gè)套節（HUB）、1個(gè)密封環(huán)（SEALRING）和4套螺栓（BOLTING）組成（見(jiàn)圖1）。

2. ZY-LOC和傳統法蘭的密封原理

1）傳統法蘭

我們將傳統法蘭都簡(jiǎn)化成平焊法蘭作結構受力分析，見(jiàn)圖2。

金屬墊片往往材質(zhì)的硬度都比法蘭更軟，在螺栓預緊力作用下，使密封墊受到擠壓變形，密封面上凹凸不平的微隙被填滿(mǎn)，阻止了介質(zhì)泄漏，以達到密封的作用，屬于“軟密封”。

由于密封面垂直于管道中心線(xiàn)，連接螺栓平行于管道中心線(xiàn)，這就勢必帶來(lái)下述兩個(gè)影響：

A、帶壓運行時(shí)，管道內壓將使密封面沿管道方向松弛，從而降低了連接處密封性能，因此，勢必加大了安裝時(shí)螺栓預緊載荷，從而相應也加大了法蘭盤(pán)所能承受的法蘭彎矩，所以法蘭的結構尺寸也就顯得粗大，即使這樣，也無(wú)法避免法蘭連接在工作狀態(tài)下的密封比壓要較預緊狀態(tài)下更低這一嚴重缺陷。

B、由于連接螺栓平行于管道方向，因此在運行狀態(tài)下所產(chǎn)生的管道系統附加載荷，諸如：管道拉伸壓縮、壓力波動(dòng)、彎矩、扭矩、沖擊等，將首先直接由法蘭連接螺栓承擔，同樣導致法蘭連接預緊效果的下降，而影響連接的密封性能。這就是傳統法蘭管道系統（特別是在高溫高壓下）很難完全杜絕跑、冒、滴、漏的根本原因。

成都植源機械科技有限公司，自主研發(fā)的高壓自緊式法蘭ZY-LOC對傳統法蘭的密封方式進(jìn)行了根本改變，大大提高了管道連接的全面品質(zhì)。

2）ZY-LOC

ZY-LOC的結構裝配及密封原理見(jiàn)圖3所示。高壓自緊式法蘭是靠密封環(huán)的唇部（T形臂）的幾何彈性變形形成密封，屬于硬密封，密封環(huán)采用T型結構，巧妙的設計，使“筋”和“唇”兩部分結構分別發(fā)揮不同作用， “筋”承擔強度，“唇”承擔密封。 “筋”與套節、卡套、管道形成一個(gè)整體，“唇”與HUB在兩次機械外力作用下，形成一個(gè)幾何變形彈性密封（第一次機械外力由螺栓緊固形成，第二次機械外力由管道內壓P形成），此時(shí)，卡套成了主要受力元件（不同于傳統法蘭的主要受力元件是螺栓），螺栓成了輔助受力元件，這種結構可以使其T型密封環(huán)在360°方向均勻受力。由圖3可以看出：

a）α＜β，在外力作用下，T型密封環(huán)的“唇”與HUB越壓越緊，形成自緊密封。

b）當螺栓緊固時(shí)，h變小趨于零，形成初始密封，管道內壓P不斷升高或波動(dòng)，T型密封環(huán)向外膨脹或收縮，T型臂（唇）彈性變化形成自緊式密封。

c）T型環(huán)在強大的HUB保護作用下，360°方向均勻受力，不受其他外力的干擾，T型臂如同彈簧，只要不超過(guò)它的屈服極限σs，反復使用都有效(見(jiàn)圖4)。

d）T型環(huán)材質(zhì)可以比HUB(法蘭)硬度更高，強度更高，綜合機械性能更好，全由T型臂的幾何尺寸彈性變化形成密封，屬剛性“硬密封”。

e）F、F1、F2直接作用，沒(méi)有傳統法蘭存在的力臂H，故而沒(méi)有力矩M，使其體積大大減小。第一次機械外力F：是由螺栓擰緊引起第二次機械外力：是由管道內壓P引起

圖4 T形環(huán)在兩次機械外力作用下的“彈簧理論”

f）密封唇環(huán)錐面之最終徑向壓縮、擴張，被嚴格控制在彈性變形范圍，從而使環(huán)唇與套節HUB錐孔內錐面形成了一定的過(guò)盈配合產(chǎn)生了接觸壓強，此即初始的（或裝配的）密封比壓y0(MPa)在管系中當管道內壓上升時(shí)，密封唇部將因內壓作用而向外擴張，使密封面上之比壓上升，從而增強了密封的安全性，增強效果可用“自密封效率”η=△y/p

在常用的密封唇錐角范圍內η=91%~98%

故在工作狀態(tài)時(shí)真實(shí)的密封比壓為：

y=y0+ηp  y≥y0

故工作壓力越高，y也越高，可見(jiàn)自緊式ZY-LOC使工作內壓p對密封比壓y形成正反饋，這是傳統法蘭端面密封方式無(wú)法比擬的。

因為在管系中，當熱膨脹及管道因內壓而伸長(cháng)等因素的管系熱力計算后，某管段若是承受的軸向張應力σt，則傳統法蘭之端面密封比壓降為粗略地說(shuō)（y0-σt），反之若受壓應力σp則此比壓似乎應變?yōu)椋▂0+σt），但是此時(shí)因兩法蘭盤(pán)的彎曲轉角減?。ㄍ瑫r(shí)導致墊片上壓力分布改變），而使連接螺栓預緊力下降，不但使螺栓易于松動(dòng)外，此預緊力的下降，導致y0的下降，始終有y＜y0。但上述兩種情況均不會(huì )出現在自緊式ZY-LOC上。

g）卡套設計成幾乎近360°的環(huán)抱套節（HUB），沿中心剖開(kāi)，可使密封環(huán)與套節之間的裝配夾持力分布平滑而受力都較均勻合理，卡套中部開(kāi)有圓弧形槽，降低卡套剛度，使卡套作用在套節錐面應力分布均勻，四個(gè)聯(lián)結螺栓垂直于管道軸線(xiàn)布置，卡套整體無(wú)特殊安裝方位要求。

h）自緊式ZY-LOC的強度和剛度

與傳統高頸法蘭相比，由于密封原理的改變，力學(xué)結構設計得十分合理、緊湊、輕巧。

如密封環(huán)上的筋，除了起到精準定位而使密封唇不致過(guò)度壓縮而形成失穩外，還能把壓縮和彎矩載荷從一個(gè)套節傳到另一個(gè)套節，就承擔管系所能承受的極其嚴酷的荷載而言，筋的環(huán)面積還有充分富裕，因為它總比所連接的管道截面積大，所以，當ZY-LOC材料與管道材料相同時(shí)，其強度，遠遠高于管道自身及其所有的管道附件。

對管道扭轉載荷而言，能經(jīng)受住遠遠大于管道自身所能承受的扭矩，在一次破壞性試驗中，相連管道已產(chǎn)生了與軸線(xiàn)成45°的裂縫，而ZY-LOC未有任何損傷。

對管道受彎矩載荷而言，幾次試驗結果證明，在嚴酷的彎矩條件下，ZY-LOC各部分未有任何松動(dòng)或損傷，在一次現場(chǎng)工程檢測中，焊于外徑63內徑49的長(cháng)管道之中部的ZY-LOC，當其中點(diǎn)加載產(chǎn)生了1000mm的大撓度時(shí)，ZY-LOC無(wú)泄漏且其軸線(xiàn)保持水平。由于結構特點(diǎn)，四只螺栓垂直于管道將夾環(huán)卡住兩對稱(chēng)，套節在輸送高溫物料溫度對螺栓的影響很小，故該結構可用在高溫高壓的管道連接上，這是該產(chǎn)品又一大特色，經(jīng)測試如管內物料360℃，螺栓的溫度僅只160℃左右，因為介質(zhì)的溫度通過(guò)管道、卡套再傳遞給螺栓，已形成了梯度遞減。

對壓縮載荷而言，在運行管系的通常條件下，ZY-LOC的組成部件均不可能超載，因為管系的極限（破壞）載荷是由強度最薄弱的管道自身決定的，由此可見(jiàn)，自緊式ZY-LOC的密封及結構之安全性是十分可靠的。

i）占用空間小，重量輕。

因連接螺栓只有4個(gè)，故與傳統高頸法蘭相比較，ZY-LOC的外廊尺寸及重量均大大減小，如下表，下圖5所示。

表1 相同額定參數下，ZY-LOC與傳統髙頸法蘭對比

表中ANS1為美國工程師學(xué)會(huì )標準，JB/ZQ4465-2006為中國國家標準。由表1及圖5可見(jiàn)，自緊式ZY-LOC外徑較小，長(cháng)度較短，且因卡套無(wú)特定安裝周向方位要求，以及只有4個(gè)無(wú)需對中螺栓孔的擰緊螺栓，故對安裝時(shí)所需操作空間要求不大，自身所占物理空間也小。

這些特點(diǎn)對整個(gè)管系的合理設計，無(wú)異提供了優(yōu)良條件。

j）節省投資及運行費用。工程實(shí)踐證明，在拆（裝）一個(gè)傳統高頸法蘭的時(shí)間內，可拆（裝）3-8個(gè)ZY-LOC，且預緊扭矩約為傳統法蘭的70%，減少了安裝的勞動(dòng)負荷和工時(shí)。

一經(jīng)安裝投產(chǎn)后，不要求定期性的重復預緊螺栓，減少維護保養工作量。

由于密封唇變形嚴格控制在彈性范圍，故密封環(huán)可多次重復使用，ZY-LOC的卡套和套節更是無(wú)需更換，故其所需的備用零部件庫存量大大減少。

k）與其他設備、部件的連接方便易行，更可靠。

與自緊式法蘭ZY-LOC配套的各種管道附件，如三通、彎頭、閥門(mén)、孔板、試壓盲頭、切換用盲板……等均有配套設計和產(chǎn)品。

其他，如：各種閥、泵、壓縮機……乃至壓力容器，只要在其接口處焊上ZY-LOC的一個(gè)套節，即可用ZY-LOC安全可靠的把它們連接進(jìn)入裝置系統之中。

即使由于種種原因，如：焊于設備出口接管上之接頭（HUB），由于焊后熱處理而使接頭(HUB)錐孔失圓，只要誤差不太大，仍能用ZY-LOC把它連接入管系，因密封環(huán)唇部本質(zhì)上為一薄錐殼，且有相當的幾何柔性，對接頭（HUB）錐孔之形狀誤差具有相當的補償能力，以及在內壓擴張作用下，仍能形成安全可靠的接口密封，當然，這時(shí)的密封環(huán)要作專(zhuān)門(mén)的設計。

二、ZY-LOC與國外同類(lèi)產(chǎn)品比較：

1．全球各國的標準幾乎都是參照美國的機械工程師協(xié)會(huì )ASME標準而制定的，其中我國GB150也是如此?？紤]我國的金屬材料的金相組織，p、s含量，綜合機械性能以及抗腐蝕性能相比歐美發(fā)達國家尚存在一定差距，因此制定GB150時(shí)都偏于保守，安全系數較大，許用應力較低，腐蝕裕度較大等等。zy-loc正是以GB150進(jìn)行設計的，但關(guān)鍵部位的材料又選用進(jìn)口的歐美發(fā)達國家的，因此相比國外同類(lèi)產(chǎn)品更安全。

2.國外產(chǎn)品設計時(shí)允許有10-15%的塑性變形，他們認為都是安全可靠的，而ZY-LOC的設計全部控制在彈性變形范圍，更安全，對變形的補償能力更強。

3.全球僅有美國grayloc，英國vector，意大利g-loc，中國zy-loc四種同類(lèi)型產(chǎn)品，雖然基理一樣，但從密封角度，密封帶的寬度,以及防沖刷保護套的結構都不一樣，不可以互換。

4.zy-loc供貨周期短，原則上只需三個(gè)月左右，因為制造時(shí)間最長(cháng)的卡套我們已經(jīng)開(kāi)成了模具，精鍛造出的卡套成型，質(zhì)量非常好，國外產(chǎn)品供貨周期一般都在半年以上或更長(cháng)。

5.能及時(shí)解決現場(chǎng)各類(lèi)生產(chǎn)、工程問(wèn)題，鄂爾多斯煤制油，瀘州川天化，新疆美克都是最好的見(jiàn)證。

6．zy-loc價(jià)格相比國外產(chǎn)品正常報價(jià)低三分之一。

三、ZY-LOC的實(shí)際應用實(shí)例：

1.在中國神華世界第一套100萬(wàn)噸/年級直接液化煤制油鄂爾多斯裝置上，規格從DN15~DN600，壓力P=28MPa，溫度470℃，材質(zhì)從碳鋼到不銹鋼（304、316L、347H、高溫合金鋼A638），ZY-LOC從2008年投產(chǎn)運行至今非常好。鄂爾多斯煤制油裝置在工程建設安裝時(shí)期，采用國外三大品牌（GRAYLOC、VECTOR、G-LOC）的法蘭，出現了各種規格繁多，各種零部件丟失，影響工期，“成都植源”及時(shí)救場(chǎng)，根據國外各品牌的結構不同，設計理念不同，再設計制造與之配套的ZY-LOC，滿(mǎn)足了鄂爾多斯第一期工程的及時(shí)需要。另外，印度制造的加氫反應器上接口DN450F321制造時(shí)熱處理不當使HUB（套節）變形，安裝時(shí)密封裝不上，高價(jià)請來(lái)國外專(zhuān)家長(cháng)時(shí)間解決不了問(wèn)題。工程部為難之時(shí)，又是“成都植源”用中國人的設計理念，用補償法做了一個(gè)異形密封環(huán)，解決了難題，使用至今非常好！

大連金重在2010年他們承接的白俄羅斯一套煤制烯烴數臺高大設備上全選用ZY-LOC，出口使用至今沒(méi)有任何問(wèn)題。

2.四川江源機械公司承接陜煤集團下屬的6萬(wàn)噸/年、10萬(wàn)噸/年1.4-丁二醇（BDO）項目中，P=35MPa、介質(zhì)易燃易爆的主體設備上全部選用ZY-LOC。

3.“ 新疆美克”10萬(wàn)噸/年1.4-丁二醇裝置原采用GRALOC，但在使用中出現了大量的問(wèn)題，他們派4人專(zhuān)程來(lái)“成都植源”咨詢(xún)考察，公司也派出技術(shù)人員到現場(chǎng)指導服務(wù)，最后，他們認為成都植源才是真正研發(fā)、制造、及時(shí)解決現場(chǎng)問(wèn)題的公司，提出逐步用ZY-LOC換掉GRAYLOC，第一批訂單的ZY-LOC已迅速發(fā)往了新疆。

4.陜西比迪歐化工10萬(wàn)噸/年1.4-丁二醇招標時(shí)，由于國外專(zhuān)利商等多種因素干擾，向業(yè)主提出：只能用國外產(chǎn)品，否則，工程質(zhì)量沒(méi)有保障，無(wú)奈，業(yè)主通過(guò)中間商選用了進(jìn)口GRAYLOC，但供貨根本沒(méi)有信譽(yù)，施工現場(chǎng)緊急補單各種規格幾十套ZY-LOC，要求25天交貨，成都植源加班加點(diǎn)滿(mǎn)足了甲方需要。

5.四川瀘州川天化6萬(wàn)噸/年1.4-丁二醇（BDO）項目，已經(jīng)使用投產(chǎn)近一年，其中，規格大的、結構復雜的，選用的ZY-LOC至今無(wú)任何問(wèn)題，相反，GRAYLOC已經(jīng)頻頻出問(wèn)題，正在向成都植源緊急補單。

6.ZY-LOC用在湖北華強化工集團（合成氨、尿素）、四川自貢?shū)欪Q化工（合成氨、燒堿）和唐山鋼廠(chǎng)（軌鋼車(chē)間）等單位使用多年效果非常好，沒(méi)有一例不良記錄。

如今，ZY-LOC已經(jīng)使用在國家的高端裝置上，如：世界頂級苛刻工藝條件的煤直接液化制油項目、中石化煉油的加氫、重振項目，以及合成氨、尿素、軋鋼、熱電的過(guò)熱蒸汽管道，用在美國萊克勒的冶金，瑞士蘇而壽的泵業(yè)，土庫曼斯坦的石油、阿曼的海上石油，白俄羅斯的煤化工……，數以千計的ZY-LOC,沒(méi)有一例不良記錄，為國家贏(yíng)得了實(shí)質(zhì)性的榮譽(yù)！填補了我國這一領(lǐng)域的空白。

總之，ZY-LOC這一新型的管道連接方式，從根本上解決了“傳統法蘭”連接的各種弊端，完全具備了替代當今最先進(jìn)進(jìn)口法蘭的能力，具有廣泛的市場(chǎng)空間，是一項值得政府推動(dòng)的安全、節能、環(huán)保項目。

附公司相關(guān)產(chǎn)品專(zhuān)利（名稱(chēng)、專(zhuān)利代碼、專(zhuān)利類(lèi)型）
1. 高壓自緊式法蘭 （ZY-LOC）專(zhuān)利號：201630571791.3  外觀(guān)
2. “山字型”高壓自緊式法蘭  專(zhuān)利號：202020226609.1   新型
3. 一種帶高壓自緊式法蘭的儀表  專(zhuān)利號：201720549405.X  新型
4. 一種帶高壓自緊式法蘭的泵   專(zhuān)利號：201720549404.5  新型
5. 一種帶高壓自緊式法蘭的壓縮機   專(zhuān)利號：201720547975.5  新型