化工設(shè)備設(shè)計中對高溫法蘭密封結(jié)構(gòu)的思考

陶穎（中國石油集團東北煉化工程有限公司吉林設(shè)計院，吉林吉林 132002）

化工設(shè)備設(shè)計中對高溫法蘭密封結(jié)構(gòu)的思考

陶穎（中國石油集團東北煉化工程有限公司吉林設(shè)計院，吉林吉林 132002）

化工設(shè)備的設(shè)計高溫設(shè)備越來越多，如果這些高溫設(shè)備的法蘭密封仍然采用常規(guī)的方法實施設(shè)計，會帶來一系列問題，實踐經(jīng)驗表明，對高溫結(jié)構(gòu)的實際設(shè)計應(yīng)予以重視，本文就高溫設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)注意地方進行探討，望能有助于設(shè)計實踐。

壓力容器；法蘭密封

世界上主要的工業(yè)化國家對高溫壓力容器設(shè)計普遍都制定了相應(yīng)的規(guī)范，也都有可以參照的規(guī)范對照著指導(dǎo)設(shè)計。從當(dāng)前我國的容器設(shè)計實際來看，對高溫設(shè)備設(shè)計還缺失相應(yīng)的規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)，所以有相當(dāng)一部分設(shè)計人員在從事高溫設(shè)備的設(shè)計時，采用的是常規(guī)設(shè)計方法實施設(shè)計的，由于缺失了對高溫設(shè)備結(jié)構(gòu)問題的重視，往往導(dǎo)致了高溫設(shè)備在實際應(yīng)用中的隱患，設(shè)備安全系數(shù)降低。

1 問題呈現(xiàn)

在化工設(shè)備設(shè)計中，管法蘭的連接結(jié)構(gòu)大多采用如圖1所示的連接方法，但是，實踐經(jīng)驗表明，在高溫容器管法蘭設(shè)計里面，如果簡單選用HG/T20592-20635《鋼制管法蘭、墊片、緊固件》，部分是不安全的。

高溫時法蘭與螺栓相比，法蘭的工作溫度要比螺栓高。前者的軸向伸長要比后者大，導(dǎo)致螺栓的溫差應(yīng)力生成并與壓力引起的拉伸應(yīng)力相互疊加，容易引起螺栓的屈服或蠕變。加上，設(shè)備在高溫流體的作用下，設(shè)備壁有很高的溫度導(dǎo)致因物理熱脹而發(fā)生變形，導(dǎo)致法蘭偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致了螺栓負荷的增加。法蘭的變形和螺栓的拉長，直接引起墊片無法很好地壓緊，泄漏事故發(fā)生。

通過實驗發(fā)現(xiàn)，法蘭的內(nèi)壓力如果從高到低，那么墊片的負荷將會減小，如果法蘭比螺栓的溫度高，墊片的載荷明顯將會增大，當(dāng)設(shè)備的筒體溫度比法蘭的溫度高時，墊片的載荷也會減小，但是，一旦墊片的載荷比密封所需載荷小時，泄漏現(xiàn)象就會發(fā)生了。上述原理表明在實際的應(yīng)用時，殼體和法蘭如果存在較大的溫差，就越需要加大預(yù)緊載荷，設(shè)備在運轉(zhuǎn)的過程中必須再緊一緊螺栓，但是，如果停止操作，溫差降了，墊片很容易出現(xiàn)疲勞，螺栓也會松弛。同時，預(yù)緊螺栓時，也無法做到載荷的均勻，不均勻的熱變形也是發(fā)生泄漏的原因之一。

從當(dāng)前的設(shè)計實踐來看，在高溫高壓設(shè)備中的法蘭連接通常采用的是透鏡式金屬墊，該結(jié)構(gòu)設(shè)計，升溫時因為法蘭大，其溫度升高比較慢，而透鏡墊相比而言升溫快，后者的熱膨脹受到前者的約束，熱應(yīng)力比較大與預(yù)緊應(yīng)力相疊加，合力超過屈服限的可能性很大，應(yīng)力松弛和墊片殘余變形的現(xiàn)象時有發(fā)生；與升溫相比，降溫過程中，恰好相反，墊片的冷卻速度要快于法蘭，容易導(dǎo)致壓緊力偏小而引發(fā)泄漏現(xiàn)象。在升溫、降溫的多次循環(huán)作用下，殘余變形越積越嚴重，壓緊力也越來越不足，泄漏問題越來越嚴重。

2 防止高溫泄漏的措施分析

如何有效防止高溫泄漏呢？筆者結(jié)合多年的設(shè)計經(jīng)驗，從法蘭密封在高溫下容易失效的原因出發(fā)，提出如下幾項措施，望能有助于設(shè)計實踐。

2.1 為了有效改善法蘭、螺栓與墊片的受熱情況，筆者認為可以在墊片與法蘭的內(nèi)側(cè)設(shè)置一個隔熱襯環(huán)，切實地降低幾者之間的溫差，嚴防螺栓達到屈服和蠕變以及法蘭變形的溫度差，該做法對防燒、防漏在實踐中收到了較為顯著的效果。

2.2 采用活套法蘭設(shè)計，這種做法可以有效地抵抗熱沖擊和熱循環(huán)載荷。同時有較大的剛性，有效地減少了法蘭因受到螺栓的拉力而出現(xiàn)的偏轉(zhuǎn)；設(shè)計上，法蘭與管壁采用的是剛性連接，管壁的熱應(yīng)力傳不到法蘭；作用力的力臂短，螺栓的受力不大，不容易出現(xiàn)螺栓的拉長現(xiàn)象；加上法蘭厚、螺栓長，法蘭相當(dāng)大的一部分熱膨脹被螺栓所吸收，螺栓應(yīng)力不容易超過屈服限。考慮到造價的原因，可建議在管道上用螺紋法蘭，對直徑較大的設(shè)備可選用其他形式的活套法蘭，這樣可以有效控制設(shè)備的造價。

2.3 設(shè)計上采用套筒，這樣可以有效加長螺栓的長度。物理學(xué)理論顯示，螺栓和套筒的總長能夠有效補償熱應(yīng)力。法蘭軸向熱膨脹允許位移有所有增大，這樣保證了螺栓應(yīng)力不容易達到屈服限，從而有效保護密封墊片不處于超負荷作用的狀態(tài)。

2.4 螺栓加彈性墊圈。這種結(jié)構(gòu)和套筒的作用類似，有很好的吸收熱膨脹的作用，但是在高壓下該設(shè)計不適用。實踐經(jīng)驗表明，彈性墊圈的使用溫度太高時會因為回火而失去彈性，效果并不是很好。

2.5 墊片的材質(zhì)選擇應(yīng)根據(jù)溫度、壓力的高低確定。

2.6 在有縱向隔板的情況下，特別要注意避免在法蘭周向上產(chǎn)生溫差，因為在高溫側(cè)要襯隔熱襯里或裝置水夾套，使其周向溫度趨于接近。

2.7 盡量減小筒體與法蘭之間的溫差，避免增加墊片預(yù)緊力而引起墊片疲勞和螺栓松弛，從而導(dǎo)致泄漏問題。

2.8 在特別高的溫度（比如大于500℃）時，不僅需要很厚的法蘭、大螺柱，在一些高溫高壓容器中，對于大口徑的接管，應(yīng)避免用法蘭連接，而采用對焊連接。

3 結(jié)語

高溫法蘭連接結(jié)構(gòu)是否可靠，勢必影響產(chǎn)品質(zhì)量，甚至帶來安全上的隱患。為了保證高溫法蘭密封能夠達到預(yù)期效果，要根據(jù)壓力容器具體操作環(huán)境，切實給出可行的高溫法蘭密封結(jié)構(gòu)，設(shè)計人員在設(shè)計中對可能出現(xiàn)的各種問題給予高度重視，這樣才能保證壓力容器的產(chǎn)品質(zhì)量，確保壓力容器在裝置中安全、可靠運行。

［1］古大田等.廢熱鍋爐.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

［2］鄭津洋等.特殊壓力容器.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1997.