化工設備設計中對高溫法蘭密封結構的思考

陶穎（中國石油集團東北煉化工程有限公司吉林設計院，吉林吉林 132002）

化工設備設計中對高溫法蘭密封結構的思考

陶穎（中國石油集團東北煉化工程有限公司吉林設計院，吉林吉林 132002）

化工設備的設計高溫設備越來越多，如果這些高溫設備的法蘭密封仍然采用常規的方法實施設計，會帶來一系列問題，實踐經驗表明，對高溫結構的實際設計應予以重視，本文就高溫設備結構設計中應注意地方進行探討，望能有助于設計實踐。

壓力容器；法蘭密封

世界上主要的工業化國家對高溫壓力容器設計普遍都制定了相應的規范，也都有可以參照的規范對照著指導設計。從當前我國的容器設計實際來看，對高溫設備設計還缺失相應的規范或標準，所以有相當一部分設計人員在從事高溫設備的設計時，采用的是常規設計方法實施設計的，由于缺失了對高溫設備結構問題的重視，往往導致了高溫設備在實際應用中的隱患，設備安全系數降低。

1 問題呈現

在化工設備設計中，管法蘭的連接結構大多采用如圖1所示的連接方法，但是，實踐經驗表明，在高溫容器管法蘭設計里面，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，導致螺栓的溫差應力生成并與壓力引起的拉伸應力相互疊加，容易引起螺栓的屈服或蠕變。加上，設備在高溫流體的作用下，設備壁有很高的溫度導致因物理熱脹而發生變形，導致法蘭偏轉，導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，泄漏事故發生。

通過實驗發現，法蘭的內壓力如果從高到低，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，當設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，泄漏現象就會發生了。上述原理表明在實際的應用時，殼體和法蘭如果存在較大的溫差，就越需要加大預緊載荷，設備在運轉的過程中必須再緊一緊螺栓，但是，如果停止操作，溫差降了，墊片很容易出現疲勞，螺栓也會松弛。同時，預緊螺栓時，也無法做到載荷的均勻，不均勻的熱變形也是發生泄漏的原因之一。

從當前的設計實踐來看，在高溫高壓設備中的法蘭連接通常采用的是透鏡式金屬墊，該結構設計，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，熱應力比較大與預緊應力相疊加，合力超過屈服限的可能性很大，應力松弛和墊片殘余變形的現象時有發生；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，容易導致壓緊力偏小而引發泄漏現象。在升溫、降溫的多次循環作用下，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？筆者結合多年的設計經驗，從法蘭密封在高溫下容易失效的原因出發，提出如下幾項措施，望能有助于設計實踐。

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側設置一個隔熱襯環，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 采用活套法蘭設計，這種做法可以有效地抵抗熱沖擊和熱循環載荷。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的偏轉；設計上，法蘭與管壁采用的是剛性連接，管壁的熱應力傳不到法蘭；作用力的力臂短，螺栓的受力不大，不容易出現螺栓的拉長現象；加上法蘭厚、螺栓長，法蘭相當大的一部分熱膨脹被螺栓所吸收，螺栓應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，對直徑較大的設備可選用其他形式的活套法蘭，這樣可以有效控制設備的造價。

2.3 設計上采用套筒，這樣可以有效加長螺栓的長度。物理學理論顯示，螺栓和套筒的總長能夠有效補償熱應力。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。

2.4 螺栓加彈性墊圈。這種結構和套筒的作用類似，有很好的吸收熱膨脹的作用，但是在高壓下該設計不適用。實踐經驗表明，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 墊片的材質選擇應根據溫度、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生溫差，因為在高溫側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，避免增加墊片預緊力而引起墊片疲勞和螺栓松弛，從而導致泄漏問題。

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，應避免用法蘭連接，而采用對焊連接。

3 結語

高溫法蘭連接結構是否可靠，勢必影響產品質量，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期效果，要根據壓力容器具體操作環境，切實給出可行的高溫法蘭密封結構，設計人員在設計中對可能出現的各種問題給予高度重視，這樣才能保證壓力容器的產品質量，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：化學工業出版社，2002.

［2］鄭津洋等.特殊壓力容器.北京：化學工業出版社，1997.