基于炼油化工装置大型化后设备法兰紧固问题的探讨

摘要：随着炼化装置的发展，设备、管线逐步趋于大型化，设备的静密封也成为了当今炼化生产面临的一大难题。针对炼化装置大型化的特点，重视管件、垫片、紧固件的质量把关，加强施工过程中的质量控制，并采用先进技术，才能做好静密封的工作，从而避免泄漏。文章以某石化公司350万吨/年重油催化裂化装置油浆蒸汽发生器的泄漏处理情况为特例，总结影响设备静密封的因素并提出相应对策。

关键词：静密封；设备施工；紧固控制

中图分类号：TQ051 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）30-0065-02

1 概述

现代石油、化工及能源等工业飞速发展，国内外石油化工企业的新上装置及新改造装置的规模越来越大，装置大型化势必带动装备的大型化。作为石油化工行业，多数装置的大型单体设备需要经常在高温或变工况下运行，更容易产生垫片老化、强度降低、蠕变松弛增大、螺栓伸长或蠕变变形等问题，造成法兰密封失效发生泄漏，进而影响整个装置的安全运行，因此高温部位法兰密封的可靠性成为目前急需研究和解决的问题。

2 现场问题发现及处理

某石化公司是一新建炼厂，加工能力为1000万吨/年，该公司为燃料型，流程短、单体设备大，在开工初期存在设备静密封泄漏的难题。易泄漏的部位主要集中在较大口径的法兰连接处，其中比较具有代表性的是该公司350万吨/年重油催化裂化装置的油浆蒸汽发生器的法兰经常泄漏。

2.1 泄漏部位概况

油浆蒸汽发生器（无单独汽包）为釜式换热器，开三备一，平常工艺操作波动较大。管箱法兰公称直径为1850mm，壳程侧介质为饱和蒸汽和除氧水（进口为101℃～107℃，出口为225℃～230℃），管程介质为油浆（进口为340℃，出口为245℃～255℃）。泄漏部位为管箱侧，管箱侧使用垫片为石墨金属缠绕垫片（金属骨架，δ=4.5），紧固使用螺栓为双头螺栓（M56×3×850，材质为35CrMoA/30CrMoA）。

2.2 处理过程

2.2.1 在该处法兰发生泄漏后，首先就垫片型式进行了更换，将石墨金属缠绕垫片改换为波齿复合垫片，运行一段时间后仍发生泄漏。

2.2.2 对法兰进行检查，发现换热器筒体法兰水平度存在问题，偏差达2mm。法兰规格偏大，在运行泄漏后加力紧固时受力不均产生了变形，对筒体法兰面进行了现场机加工修复；换热器管束法兰面被泄漏蒸汽吹出沟槽，进行补焊并磨平，并对换热器管束法兰找平发现，水平度也同样存在问题，进行法兰面机加工。运行一段时间后，由于工艺波动频繁，仍出现了泄漏。

2.2.3 对螺栓预紧进行比对和研究，发现在螺栓紧固施工和预紧补偿方面存在问题。通过了解，在国内其他炼厂，釜式蒸汽发生器泄漏问题普遍存在，均是在螺栓上加装了补偿垫圈或碟簧并进行科学紧固后解决了该难题。在加装了补偿垫圈，使用液压扳手紧固后，解决了泄漏问题，运行至今效果良好。

2.3 经验总结

在设备出现泄漏问题后，有必要通过对各种因素进行分析和排除，确定问题主要原因并进行处理，才能有效地解决设备的泄漏问题。

3 设备法兰紧固质量问题分析

一般影响法兰密封可靠性的因素有：螺栓的预紧力、法兰连接构件（法兰、垫片和螺栓等）自身的状况、操作条件的变化（介质、压力、温度）、安装不当等，通过研究发现，螺栓预紧力是影响法兰密封的一个重要因素。

所谓螺栓预紧力，就是在拧螺栓过程中拧紧力矩作用下的螺栓与被联接件之间产生的沿螺栓轴心线方向的预紧力。对用于法兰紧固的螺栓而言，其预紧力的大小与螺栓的拧紧力矩、螺栓与螺母之间的摩擦力、螺母与被联接件之间的摩擦力有关。

紧固施工时依靠传统的大锤敲击、人力扳杠等方法完全由人的感觉判断，根本没有精度可言。采用液压扳手并加紧固件的扭矩和拉伸器的拉伸力来说，螺母是否转到适当的位置都存在两个未知的因素：对扭矩而言，转动面及螺牙间的摩擦系数；对拉伸而言，超拉的预估值及人工旋紧螺母。再加上各种不同的应用因素、工况条件，所使用的螺栓及螺母的配合公差、垂直度和摩擦系数等影响与螺栓紧固有关的因素，使螺栓紧固的精度变得不易控制。

4 解决措施

4.1 对密封组件进行质量检查确认

4.1.1 检查法兰的型式是否符合要求、密封面是否光洁、有无机械损伤和锈蚀，径向刻痕≤25%为合格、

25%～50%由机动设备处确认、≥50%为不合格等，法兰平整度小于法兰外径的0.15%。

4.1.2 新更换的螺栓及螺母的材质、型式、尺寸是否符合计划要求；螺母在螺栓上转动应灵活，不晃动；螺纹不允许有断缺现象；螺栓不应有弯曲现象；螺栓规格≥M27以上时，按20%抽检做无损检测。

4.1.3 垫片的材质、型式、尺寸是否符合计划要求，无径向划痕及外观质量是否符合要求；更换的密封部件必须有材料质量证明文件或合格证。

4.2 做好施工前的检查工作

一般部位的法兰密封垫片安装和螺栓紧固必须由经验丰富的熟练人员完成，安装前必须对选用的垫片型式、材料和尺寸再次确认，安装前仔细检查法兰、螺栓、螺母及垫片的质量，仔细检查法兰或接口安装情况，看看有无偏口、错口、张口、错孔等缺陷。

4.3 选用合适的紧固力矩及工具

紧固力矩的计算应考虑螺栓的屈服强度、垫片的型式和厚度、螺栓规格、法兰厚度及施工环境等，考虑到紧固过程中的力矩损失，一般在理论计算的基础上，增加20%～30%。

法兰螺栓紧固安装应由手动扳手紧固逐步向使用定力矩专业紧固工具方式过渡。定力矩紧固通常有螺栓拉伸、定扭矩、扭矩拉伸三种方式。而对于高温、高压介质、中高压临氢介质或DN800以上设备、管道法兰应采用四同步以上紧固方式，以提高紧固的可靠性。

4.4 选用紧固补偿件，缓冲工艺条件波动造成的预紧力波动

大锤敲击、液压扳手在紧固过程中，正因为摩擦力、偏载、感官判断等因素，无法均匀而精确地将螺栓所需要的载荷力施加到每根螺栓上而引起泄漏。据英国海上操作者协会科学分析后得出的结论：81%的泄露是由不精确的螺栓载荷力引起的。而加装补偿垫圈或碟簧可以有效避免扭矩损失和偏载的产生，通过补偿垫圈或碟簧的变形产生的应力补偿转换，可以很直接地将紧固螺栓所需要的载荷力均匀而精确地作用在每根螺栓上。对于换热器小浮头密封面宽度不小于15mm，安装时可以考虑加装补偿垫圈或

碟簧。

4.5 严格按照同步法紧固螺栓

使用机具紧固前应手动均匀将螺母初步拧紧，然后采用同步法对称紧固螺栓。第一遍：按规定力矩值的50%以十字交叉的方法依次紧固螺栓。第二遍：按80%的力矩值隔个螺栓进行紧固。第三遍：按照顺序法，按100%的力矩值逐个对螺栓进行紧固。螺栓紧固后，检查两法兰之间的间隙。最大与最小间隙之差应不大于0.5mm。第四遍：参照第三遍进行。对于使用有补偿垫圈或碟簧的部位，可不用热紧。

4.6 其他

安装螺栓及螺母时，螺栓上钢印的位置应便于检查。对于高温烟气、中压蒸汽或介质温度≥300℃的螺栓螺纹部分必须涂抹高温防咬合剂，其他螺栓必须涂二硫化钼等润滑剂。

5 结语

对于设备法兰的紧固，应从施工技术、管理上加强，从机具、工具上做好保障。选用补偿垫圈和碟簧，可有效实现紧固的质量。现场密封面的检查、处理尤其是对法兰面变形的检测要到位。

作者简介：郑东起（1981—），男，中国石油广西石化公司生产二部设备工程师，研究方向：过程装备与控制

工程。

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