绝缘接头和绝缘法兰的一些思考

知识点：法兰绝缘

前几天又看到群内关于绝缘接头和绝缘法兰的讨论，由于本人前几年参加过国内某大型长输管道绝缘法兰问题的处理（国内很多大工程绝缘接头都出现过问题），对绝缘接头有些研究和考虑，因此在此谈点不一定成熟的看法供大家参考。

一、绝缘接头应用中一些情况

首先谈谈绝缘接头在国内的产生和应用。若我没有记错的话，大约在80年代前中石油（基本代表了当时国内长输管道本行业的水平和状况）使用的都是绝缘法兰，那时没有绝缘接头这个产品，后来好像是由当时的中石油四川设计院设计（后来的CPE），由四川石油管理局输气管理处的一个机械厂首先生产了这个东西，以后便在埋地油气管道上广泛推广开来。也就是说绝缘接头这个管道附件主要是中石油管道设计部门首先研发、采用并得到认可的。但可惜的是，虽本群内大家多次讨论绝缘接头和绝缘法兰的问题并提出一些疑问和不同看法，但鲜有油气管道设计单位的设计人员或研究人员冒泡对此进行说明，难道一个小小的绝缘接头竟然那么难弄？

按我的理解，绝缘接头的确算不上是高科技产品，但在本行业内，真正能把这个管道附件吃透了的技术人员却并不多，甚至包括行业内某些专家（本人参加多次XX线绝缘接头问题处理，过程中接触了不少业内的人员）。究其原因，个人认为主要原因之一是很多人以为简单而不够重视，不愿意深入研究；原因之二是这个东西涉及多个专业领域，要真正搞透这产品，对技术人员的专业知识的深度和专业经验的广度还是有较高要求的。

具体来说：绝缘接头的多专业性体现在：1）绝缘接头和绝缘法兰虽原理和结构简单，但却是一个跨专业应用的部件。在管道工程设计中，一般绝缘接头由设计公司的防腐（阴保）专业选用它并确定其在管道工艺流程中的部位，再由工艺专业设计具体的安装位置，然后由机械专业提出绝缘接头或绝缘法兰具体的技术规格书（防腐专业也要参加和审核），最后，技术规格书交由中标厂商生产出合格产品；2）工程设计提出的的绝缘接头技术规格书仅提出了诸多具体技术参数要求，而绝缘接头的具体结构、设计计算、选材、加工制造、装配和产品的试验测试等均由生产厂商完成；3）绝缘接头工作的环境工况还是比较复杂，除介质、压力、温度、腐蚀环境等影响外，其不同安装条件下所承受的载荷完全不同，在外载荷的作用下，要将绝缘接头在不同工况和载荷状况下各构件零件及装配关系中的内部受力分析搞得很清楚，还是要花些力气的。

由于绝缘接头的多专业性、复杂性，以及该行业存在的激烈市场竞争，作为直接影响产品质量的绝缘接头生产厂商状况却是：一方面多数厂商技术能力并不很强，在2014年以前，绝缘接头厂商基本都没有对绝缘接头进行有限元计算的能力，而全凭经验计算（SY/T0516-2016出来后有了改观），因此部件的刚度普遍不够；二方面部分厂商受利益驱动而采取偷工减料的作假行为（后科宏公司按标准采用有限元计算设计的DN1000绝缘接头重量要比当时厂商供应的同规格绝缘接头要重一吨多），以至于国内在2015年以前的大型管道工程中绝缘接头频频出现严重问题，造成很大的经济损失。另外，虽然绝缘接头原理结构简单，但因其使用工况复杂，SY/T0516规范规定的试验和检测项目很多，厂商要全部完成试验检测并达到要求并不容易，特别是弯矩水压试验项目。即便在中石油组织故障产品的第三方检测试验时，也出现了作假行为，使得对厂商绝缘接头鉴定也一波几折。

二、埋地管道为什么采用绝缘接头而不是绝缘法兰

群内多次讨论到埋地管道要采用绝缘接头而非绝缘法兰的问题。我认为，虽然在SY/T0516、SY/T0086以及GB50251/ GB50253规范中并没有明确提出埋地管道必须采用绝缘接头，一定不能采用绝缘法兰，但在实际工程设计中各设计院均是采用绝缘接头而不采用绝缘法兰。这其中的原因既有照搬照拷复制粘贴的盲目跟风原因，当然也还是有其内在原因的。

原因一：绝缘接头（特指整体式绝缘接头）是焊接结构和焊接连接，而绝缘法兰为螺栓紧固结构，一般概念中焊接是永久连接而螺栓连接是非永久的可拆卸连接，而焊接连接的绝缘接头比螺栓连接的绝缘法兰的连接可靠性更高。因此各设计院在埋地管道设计中都是采用绝缘接头（尽管我在GB50251没有查到明确的要求，或许在中石油CDP文件中有规定，但我没有查），这个规定在油气管道设计业界是形成了一致意见的；原因二：绝缘接头容易外防腐而绝缘法兰不便于外防腐，因此埋地采用绝缘接头。

但我们深入考虑，是不是埋地的绝缘接头的可靠性就一定比埋地的绝缘法兰的可靠性更高呢（相同条件下比较）？我的看法是不一定，其理由如下：

我认为：一个管道附件的可靠性高低应该从多方面看。就绝缘接头和绝缘法兰而言，其可靠性主要体现在四个方面，即：机械性能、连接可靠性、密封可靠性和绝缘可靠性，而且这几方面之间还存在有相互影响的关系。首先，就连接可靠性而言，一般认为焊接比螺栓的连接可靠性当然高；其次，就机械性能而言，在强度、刚度和稳定性三要素中，当安全系数相当的情况下，若要保证绝缘接头固定套的结构刚度就需要比绝缘法兰的相关尺寸大而材料量更多。而固定套（当然还包括左右凸缘法兰）恰好是部分生产商难以准确计算受力和偷工减料的零件。换句话说若绝缘接头的刚度若达不到设计要求，则绝缘接头比绝缘法兰更容易泄漏。因为刚度不好的后果就是在相同受力情况下弹性变形大——直接导致密封失效而介质泄露；最后，绝缘接头对装配要求（特别是预压缩力）要求更高，这也是比绝缘法兰更容易出问题的地方之一。

根据上述分析，我的看法是：就可靠性而言，绝缘接头和绝缘法兰互有优劣，即绝缘接头整体的功能可靠性（特别是避免易燃易爆介质的泄露可靠性）并不因为焊接连接就一定比绝缘法兰的螺栓连接更高。其实我们进一步分析也可以发现，绝缘接头虽为焊接结构，但真实的绝缘接头附件整体却绝不是完全的钢结构封闭体——还是由非金属的密封确立的密封体系，这点与绝缘法兰并没有本质的不同。

那现在各设计院埋地管道选用绝缘接头是不是就不合理呢？我的理解是：考虑到外防腐的方便性和设计观念的延续，以及附件体焊接不可拆卸特点，因此采用绝缘接头也是可行的。但前提是绝缘接头厂商应严格按照规范的要求设计计算、加工制造、试验检测绝缘接头产品。

三、绝缘接头承受扭矩小并非坏事

群友讨论较多的另一个问题是绝缘接头和绝缘法兰承受扭矩的问题。

的确，绝缘接头由于结构原因扭矩承载能力的确很弱（仅靠凸缘法兰面与绝缘板等之间预紧力所形成的摩擦力承受扭矩）。但我的看法是：对绝缘接头和绝缘法兰受力而言，一是从规范和设计的角度出发，要求绝缘接头不应安装在承受较大扭矩的位置，二是即使绝缘接头安装在不理想的位置，绝缘接头也不会承受超出其承受能力的扭矩。那原因呢？

本人认为：在绝缘接头质量符合现有规范条件下，当承受扭矩过大时，绝缘接头两侧凸缘法兰相互转动一定角度并不会破坏绝缘接头的机械结构、密封结构和绝缘结构（尽管这样密封填料和绝缘板间有错动），当然也不影响其密封性、绝缘性和机械性能，而两侧凸缘法兰相互错动同时还有助于释放了管道过大扭矩所造成的大内剪应力。

作为对比反过来说，在过载的扭矩条件下，绝缘法兰两法兰盘之间就一定不产生相互错动了吗？扭矩的承载能力就一定很高吗？我认为非也！何以？

为安装方便和标准化互换性的要求，绝缘法兰螺栓孔中绝缘套内径与紧固螺栓外径之间通常是存在间隙的，当管道的扭矩大于法兰盘与密封圈间的摩擦力矩时，两法兰盘间就会相互错动。而当间隙消除后，紧固螺栓就会承受两片法兰盘的剪切力，同时由于两法兰盘间有一定距离，螺栓还会承受一定的弯矩。螺栓本身是承受轴向拉应力的，承受横向的剪切力和弯矩的能力并非很强（当然可能比绝缘法兰还是强很多）。

由上述观点出发，我们有些厂商专门设计抗扭矩绝缘接头是没有意义的，或许反而增加了管道长期的内剪应力——这并不是好事。

四、绝缘接头安装的有关问题

记得在处理现场绝缘接头故障问题时，有关厂商为了推卸责任总是强调：你这个绝缘接头设计和安装的位置不对，使之受力过大而造成了故障。

本人认为：首先从规范对绝缘接头的安装要求看，SY/T0086规范对绝缘接头的安装仅提出“从相邻管道传来的任何外力减至最小”的原则要求，并未硬性规定必须小于多少，或者说是没有规定绝缘接头受力的载荷种类和大小数值。

其次从绝缘接头的设计制造规范SY/T0516看：首先，绝缘接头承受的最大弯矩可以是使得管道产生的抗拉屈服应力的72%。由此要求可见，在考虑安全系数和地区系数情况下，几乎可以认为绝缘接头能承受与所连接管道相同的弯矩；其次，对绝缘接头承受的轴向载荷（拉或压力），规范对＞DN150的绝缘接头是没有限制要求的，因此可以说一般情况下轴向载荷是不会造成绝缘接头损坏的。究其原因，主要是＞DN150绝缘法兰的各横截面积都远远大于管壁的横截面积，即便对抗压强度最小的绝缘板零件来说也是如此，即：当管道承受过大的轴向应力时，管道甚至会比绝缘接头先损坏。另外，规范对≤DN150的绝缘接头虽然有轴向载荷的限制，但其允许的范围也是很宽的；最后，在SY/T0516中并没有规定绝缘接头允许承受的扭矩或能否承受扭矩，那我的理解就是“绝缘接头不可能承受过大扭矩”（原因见三节中的分析）。

综上所述分析，可以得出结论：“仅从承受载荷的角度分析，绝缘接头几乎可以安装为任何空间状态（竖向、横向及倾斜等）和任何位置”，当然在考虑其它影响因素情况下（如易燃防爆区域、内部积水等），规范对绝缘接头安装位置还是有所限制的。

五、绝缘接头今后发展的思考

最后谈一点本人对绝缘接头这个产品研究的思考，若各研究单位和生产厂商对我提出的观点感兴趣，可以由此展开新绝缘接头的研发，毕竟现有绝缘接头的很多基本结构和设计理念都是由努瓦金等国外公司首先确定的。从最近关于半导体芯片和操作系统的贸易战看，随着今后国家对知识产权的规范，可能不再会让国内生产厂商那么安逸的免费坐享其成了，在此提醒国内各位同行应引起充分重视。

上次听了努瓦金公司专家的讲课，视频上给出了三种类型的二、三十种具体结构形式的绝缘接头结构图。应该说国外公司对绝缘接头研究得已经很透彻了，技术也比较成熟了［但我也听国内有关厂商说过，即使是国外产品，在工程中也出现过多起泄漏失效的情况（是否属实未证实过）］。但我以为尽管比较全面也不等于全部，尽管比较成熟也不等于没有缺陷。因此无论是从知识产权还是从弥补产品不足角度看，绝缘接头还是有研究和发展的空间，国内厂商都应该继续研究开发新产品。

就现有绝缘接头基本结构形式而言，个人认为其中存在的一个重要不足就是，大口径绝缘接头为了保证其构件的设计刚度，体积尺寸和重量都太过庞大，由此带来的问题包括：生产成本较高、安装不便、管道承受的荷载过大。

为了克服上述不足，有段时间本人对此做过一些研究和思考，也有一些新的考虑，现仅提出思路要点供厂商和有兴趣者参考。

现有绝缘接头的不足皆因其结构特点所致，目前的结构特点是固定套（俗称钩圈）所受轴向力转变为了固定套的弯矩，而固定套半幅纵截面为悬臂结构，受力后刚度极不好。

那么是不是绝缘接头就一定无法改变目前的结构形式？这是我提出的思路之一。

若现有结构无法改变，有什么办法增加各构件的刚度或降低其许用刚度要求，以便减少其结构尺寸和重量？这是我提出的思路之二。

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