延迟焦化装置间歇系统法兰密封泄漏原因分析及对策

张宏锋 靖迎涛 马辉 佟明高 赵玉升

（中国石油独山子石化分公司第一联合车间，独山子 833699)

摘要：针对焦化装置焦炭塔系统静密封法兰失效泄漏情况，从设备工况、螺栓预紧力、垫片选用、法兰密封面形式等方面进行泄漏原因分析，研究结果表明焦炭塔系统由于操作特点，静密封点经历周期性温度变化，螺栓蠕变松弛造成密封比压下降，载荷不足发生泄漏。针对温度变化对密封性能的影响，制定有效措施解决。

关键词：焦化装置、法兰密封、法兰泄漏、解决措施

独山子石化公司120万t/a焦化装置由中国石油天然气华东勘察设计研究院设计，采用可调循环比，循环比调节范围控制在0.2～0.6之间。操作弹性60%～120%。装置采用一炉两塔工艺，将加热的减压渣油经过裂解和缩合反应生产成为焦炭与油气。装置主要分为间歇系统、连续系统，其中连续系统包括分馏、吸收稳定系统，间歇系统包括焦炭塔、凉水系统。2009年9月投产，主要原料油为减压渣油，属于重油组分，油品密度（20℃）1.017g/cm³，操作温度在500°左右，法兰泄漏轻则冒烟污染环境，重则发生火灾爆炸事故。由于焦化装置的主要工艺生产特点为间歇操作，2009年开工以来由于周期性温变造成螺栓疲劳、预紧力不足发生法兰密封泄漏情况，严重威胁装置的长周期安全生产。

一、法兰泄漏原因分析

导致法兰泄漏的原因有很多（见图1），密封垫的原因要占一部分，法兰连接面是否光洁要占一部分，但最主要的原因还是螺栓预紧力的影响，因为其最难控制。

1.设备工况

焦炭塔是焦化装置的关键静设备，与其相连的油气管线较多，主要工艺管线均为法兰连接，操作压力范围0～0.3MPa，操作温度0～500℃，油气流量变化范围0～115.5t/h，温度、流量、压力循环周期为24小时。

2.螺栓预紧力

法兰螺栓安装采用传统方式紧固, 使用大锤敲击打击扳手来紧固螺栓，是否紧固到位的判断方法为扳手转不动螺母为止，或者凭借作业人员的经验，听扳手打击的声音。具体施加到每套螺栓的力矩不清楚。在使用传统紧固方式进行紧固时，诸如呆扳手、敲击扳手等工具，由于力臂的存在，作用力会对螺栓形成侧向偏载（见图2），使螺栓螺母之间的摩擦力增大且无法预知，损失的扭矩也无法确定，加之螺纹啮合部分及螺栓螺母与被连接件之间的表面摩擦会增大扭矩的损失，从而无法做到精确的螺栓载荷。当温度、压力发生变化时，一圈螺栓的预紧力将发生不一致的变化，当螺栓预紧力不能满足垫片密封所需要的最小预紧力时即会产生泄漏。

  图1  法兰密封泄漏原因统计                   图2   扳手类工具存在侧向偏载  

3.垫片选用

根据装置设计规范要求，公称压力PN≥10.0MP(CL600)的法兰采用环槽型密封配八角型金属环:PN≤5.0MPa(CL300)的法兰，采用突面密封面配缠绕式垫片。针对频繁泄漏的法兰能量隔离后，打开检查垫片无缺陷。

4.法兰密封形式

查原始设计说明，法兰采用与API阀门相配的中国石化行业标准《石油化工钢制管法兰》；与设备相连的法兰采用与SH3406-1996等效的化工部标准《带颈对焊钢制管法兰（美洲体系）》(HG20617-97)。打开泄漏位置法兰检查密封面均无制造缺陷。

  综上所述：该装置间歇系统法兰泄漏原因主要有，温度、压力、流量变化，螺栓预紧力力矩值不明确几项因素造成。拿石化装置的法兰来讲，几乎所有法兰间都安装弹性密封垫，假设螺栓的初始预紧力不足，在温度升高时，由于螺栓的温度低于法兰，所以螺栓被拉伸，预紧力会比初始值要增大，弹性密封垫被进一步压缩。当螺栓的温度也随之升高接近法兰温度时，由于密封垫不能回弹到初始位置，螺栓的预紧力会丢失一点。当法兰的温度跟随内部介质下降时，虽然螺栓的温度也下降，但是要高于法兰的温度，此时螺栓的预紧力又要丢失一点。对于温度、压力频繁变化的法兰而言，螺栓的预紧力是不断减少的。因为法兰上螺栓的初始预紧力值偏差较大，只要当法兰上某条螺栓的预紧力低于法兰内部的压力时，内部的介质就会冲破密封垫的约束，向外泄漏。一旦泄漏的介质破坏了密封垫和法兰，即使再紧固螺栓也无济于事了。只能采用带压堵漏、包焊的应急措施解决。当然，初始预紧力也不能过大，否则，压溃了弹性密封垫，开工就会发生泄漏了。

二、解决泄漏措施

车间尝试采用高温预紧碟簧，需采用传统液压板手紧固螺栓，虽然可以设定转动螺栓的扭矩，但必须要有一个反作用力臂来平衡驱动力，否则机具就原地打转。智能型螺栓(Rotabolt)锁固虽然可以做到每条螺栓的力矩偏差较小，但是不能满足温变使用要求。采用凯特克的DISC拉伸垫圈并配合定力矩紧固技术不仅解决法兰泄漏问题，同时可保障长周期运行。

1.碟簧

碟簧是一种承受轴向载荷的锥形环状垫圈，碟簧（图3）使用过程厚度不会发生变化，其承受的轴向载荷均匀分布在表面一侧的内圈与另一侧的外圈，是一种依靠弹性来完成补偿的一种元件。当螺栓处于紧固状态时，碟簧发生形变，将形变能量储存，当法兰因为温度等原因变化时，储存的能量将会释放来补偿损失的螺栓预紧力。实际应用过程中经常会出现碟簧疲劳导致法兰泄漏，距离使用预期效果相差较大。

图3 碟簧形状图示

2.智能型螺栓(Rotabolt)

专业技术人员首先对法兰运行条件调研，进行计算来确定螺栓最合适的力矩指示器，保证螺栓不会发生力矩过载，同时确保同意法兰的每套螺栓紧固力矩值是基本一致。智能型螺栓(Rotabolt)的特点：

①每套螺栓均依管路压力及温度设计，并逐套预拉伸及测试。

②可确保每套螺栓达到锁紧设定值时，可达到±5％误差范围内 ，而达到平均锁固的最佳状态。

③用手即可检测螺栓锁紧力(旋转帽盖，无法旋转表示已达扭力值，可旋转则表示尚未达扭力值)，投入使用后不需紧固。缺点：需在日常巡检过程中检查螺栓是否松动，来确定是否进行在线紧固，不能满足一个检修周期不紧固的要求。

3. DISC拉伸垫圈

采用HYTORC公司在2003年推出了一款新的专利产品--凯特克的DISC拉伸垫圈螺栓紧固技术：用一个特殊的拉伸垫圈代替常规的平垫圈，其外形尺寸和原配的螺母相同，是六角形。靠驱动器来紧固螺栓，驱动器在握住拉伸垫圈的同时，在内部转动螺母，依靠拉伸垫圈下表面与设备间的摩擦力来抵消反作用力。随着螺母转动的同时，螺栓被拉伸，带动垫圈的内螺牙环一起移动。当扭矩不足以克服紧固摩擦力时，紧固完成。如下图：

                    图4螺栓内部结构标注与剖面图

      图5  拉伸垫圈                     图6   驱动器内、外套筒剖面图

3.1新型垫圈与驱动器配合，取消了反作用力臂，同时也就消除了偏载对螺栓的影响，因此紧固过程中的摩擦力能够得到很好的控制，螺栓没有受到偏载，减小了未知的摩擦力，扭矩就能精确的转换为螺栓的预紧力，而采用HYTORC独有的预紧力控制技术，就能使紧固过程无偏载，紧固精度高且均匀，真正意义上实现“零泄漏”。

3.2按照法兰螺栓扭矩管理方案进行工况参数调研，完全依照ASME （美国机械工程师协会）制订的PCC-1-2010（压力边界螺栓法兰连接装配指南）进行全面的分析和科学的指导，保证紧固完成后的法兰连接的可靠性和长周期稳定运行。其中：保证法兰不泄漏，螺栓所需的最小预紧力由三部分组成：

①克服温差变化所需的预紧力Pre-Load for Temperature Variety；

②克服内压所需的预紧力Pre-Load for Testing Pressure；

③保证密封垫正常工作所需的预紧力Pre-Load for Gasket Working Pressure。

现场工况参数表

3.3紧固示意图与紧固步骤

①在位置1放置液压扳手，以四同步方式进行锁紧，设定预紧力输出为50%，紧固后测量并调整法兰间隙。

②在位置2放置液压扳手，以四同步方式进行锁紧，设定预紧力输出为50%，测量并调整法兰间隙。

③在位置3、4、5依次放置液压扳手，以四同步方式进行锁紧，设定预紧力输出为100%，测量并调整法兰间隙。

④最后用100%的预紧力，从位置6开始顺时紧固所有螺栓，直至所有螺母不在转动。

三、结语

这一无反作用力臂螺栓紧固技术已经在石化公司各套装置得到广泛的应用。彻底消除了设备的法兰泄漏和螺栓松动，大大减少了宝贵资源的浪费和停工维修的时间，同时消除可能引发爆炸、火灾、人员伤亡、环境污染等各类严重后果，给石化行业的长周期平稳运行和保护员工的生命安全提供了保障。

参考文献:

1. 王学文,赵正修 金属垫圈密封性能的研究及法兰连接系统的整体分析[J] 石油大学学报 1995 19(4) 64～68

2. 螺纹紧固件紧固通则GB/T 16823.2-1997 [S]

3. 张育  弹性垫圈力学行为及设计方法研究[D]   南京工业大学 2006