二氧化碳汽提塔螺紋法蘭用透鏡墊泄漏原因分析

2016-03-25 07:43:57張波

中國設備工程 2016年2期

張　波

（克拉瑪依市恒和設備維修技術服務有限責任公司，新疆克拉瑪依 833699）

張波

（克拉瑪依市恒和設備維修技術服務有限責任公司，新疆克拉瑪依 833699）

摘要：透鏡墊比壓力不足是產生泄漏的根本原因。精確計算了法蘭螺栓的緊固力矩，并針對傳統緊固方式存在的問題將螺栓改進為液壓拉伸型。

關鍵詞：透鏡墊；比壓力；螺栓緊固；泄漏

一、密封機理介紹

某化肥廠70×104t/a尿素裝置汽提塔在裝置首次開工時，上、下封頭與管道連接的螺紋法蘭密封元件透鏡墊均出現了不同程度的泄漏，影響裝置開工。

造成泄漏的根本原因是由于接觸面上存在間隙，而接觸面兩側的壓力差、濃度差則是泄漏的推動力。由于密封面的形式及加工精度等因素的影響，密封面上存在間隙在所難免，這就會造成密封面不完全吻合，從而發生泄漏。要減少泄漏，就必需使密封面最大程度地嵌合，即減小泄漏通道的截面積、增加泄漏阻力，并使之大于泄漏推動力。對密封面施加壓緊載荷，以產生壓緊應力，可提高密封面的接觸程度，當應力增大到足以引起表面產生明顯的塑性變形時，就可填補密封面的間隙，堵塞泄漏通道。

汽提塔封頭管口與管道管口均采用140°錐角（見圖1），法蘭與管口通過螺紋旋合，故稱之為螺紋法蘭。管口間加設的形如凸透鏡的墊子，稱之為透鏡墊。透鏡墊上下兩工作面均為球面。使用透鏡墊的目的就是利用其在螺紋法蘭不斷增大的壓緊載荷的作用下，透鏡墊產生的變形由彈性變為塑性，密封處隨之由最初的環線接觸變為環帶接觸，最終填平錐形管口密封面的微小凹凸不平，從而實現密封。

圖1　螺紋法蘭—透鏡墊安裝示意圖

二、泄漏原因分析

墊片壓緊應力不足、法蘭密封面粗糙、管道的熱變形、機械變形及振動等都會造成墊片與密封面之間貼合不嚴密，從而發生泄漏。此外，螺栓—法蘭連接在操作工況下，由于溫度、壓力的作用，螺栓變形伸長，墊片蠕變松弛、回彈能力下降、墊片的變形等都會造成墊片與法蘭密封面之間的泄漏。

采用榔頭敲擊再次加大緊固力矩；研磨管口提高錐形密封面粗糙度；數控車削透鏡墊提高表面粗糙度，消除表面塑性變形和熱變形的方法不能完全消除泄漏。

螺栓的緊固力矩（透鏡墊壓緊應力）不足是導致透鏡墊產生泄漏的根本原因。螺栓的數量、擰緊螺栓的力矩、螺栓系統的摩擦狀態和透鏡墊的壓縮面積決定了壓緊應力的大小。

三、螺栓緊固力矩計算

螺栓緊固力矩不夠，透鏡墊壓緊應力不足；螺栓

緊固力矩過大，螺桿則有可能達到屈服極限，產生塑性變形。若達到強度極限，產生縮頸等被破壞現象，透鏡墊亦有被壓潰的可能。

故此，應將透鏡墊的螺栓緊固力矩做精確計算，以下封頭墊DN200為例：

《鋼制化工容器強度計算規定》HG/T20582-2011就透鏡墊的螺栓載荷給予了明確公式。

式中：WP——設計工況下螺栓所需最小載荷，N；

P——設計壓力，MPa；

dk——透鏡墊接觸圓直徑，218.9mm；

Et——在設計溫度下透鏡墊材料的彈性模量，

MPa；

α——圓錐形面的母線與其中心線間的夾角，

70°；

ρ——摩擦角，等于8 °30＇；

β——余角，β=90°- α=20°。

按實際操作時溫度（165℃）查詢，Et=193000MPa；按實際操作壓力（14.5MPa）計算出螺栓所需的最小載荷Wmin=2.36×106N；按設計操作壓力（16.6MPa）計算出螺栓所需的最大載荷Wmax=2.43×106N。

根據公式2、3可得單個螺栓（M42×4.5）的必須最小載荷和緊固時的扭轉力矩。

Famin=Wmin/n （2）

Tmin=0.14Famind （3）

式中：Famin——單個螺栓必須最小載荷，N；

n——螺栓數量，件；

T——螺栓扭矩，N?M ；

d——螺栓直徑，mm；

0.14——螺栓摩擦良好下的系數。

將n=12，d=42等數據代入，得Famin=196666N；Tmin=1156N?M

同理：Famax=202593N；Tmax=1191N?M 。

四、螺栓強度校核

傳統緊固方式下的螺栓承受軸向應力和扭轉應力的合應力，合應力的校核按公式4、5計算式中：dc——螺栓有效直徑，37.78mm；

[σ]——螺栓（35CrMo）的許用屈服應力；

σs——螺栓的屈服極限：

s——螺栓的安全系數。

將σs=600MPa，smax=1.5代入式內，合應力σe按最大值校核

得σe=237MPa＜[σ]=400MPa

故：螺栓在扭矩為Tmax=1191N?M 是安全的。

五、實施效果

在汽提塔、合成塔等封頭管道透鏡墊的歷次安裝中，使螺栓的緊固力矩達到要求的情況下，透鏡墊均沒有發生泄漏。說明螺栓的緊固力矩不足是透鏡墊發生泄漏的主要原因。

六、螺栓改型

大量的生產實踐證明，對于規格≥M42mm、材質為35CrMo的螺栓通過榔頭敲擊的緊固方式很難達到要求的力矩。而液壓扭矩扳手受制于法蘭、管徑尺寸及操作空間的限制，使用極為不便。汽提塔體與封頭的連接的螺栓M64×4采用液壓拉伸的方式，4個螺栓同時對稱操作。采用此方法不僅便捷，關鍵在于對螺栓預緊力的精確控制。

為了借用封頭螺栓的液壓拉伸器，將螺栓改型為如下結構（圖2）。