液氨過濾器封頭法蘭密封失效成因分析及解決方案

陳　峰，周　良

(中國石油塔里木油田石化分公司　新疆庫爾勒　841000)

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液氨過濾器封頭法蘭密封失效成因分析及解決方案

陳峰，周良

(中國石油塔里木油田石化分公司新疆庫爾勒841000)

針對尿素裝置開車引氨階段液氨過濾器封頭法蘭密封失效原因進行探討分析，提出在法蘭螺栓兩側安裝預緊碟簧方案并予以實施，取得了良好的效果。針對尿素裝置高壓合成系統設備管道法蘭存在密封泄漏隱患，提出建議性解決方案。

法蘭密封失效碟簧

中國石油塔里木油田石化分公司尿素裝置采用SNAM氨汽提法工藝，來自界區的原料液氨在進入中壓系統前須經過液氨過濾器過濾。自2010年5月開工生產運行以來，液氨過濾器封頭法蘭密封在歷次開車引氨階段均出現失效現象，現場數次更換墊片及緊固螺栓均未能有效解決，導致生產現場操作條件惡化、裝置運行能耗上升、環境受到污染。

1　封頭法蘭密封失效原因分析

在分析法蘭密封失效時，首先檢查了法蘭的加工質量、法蘭的傾斜、法蘭的錯位、法蘭密封面的缺陷，排除了制造質量的問題；其次，排除了介質對墊片的腐蝕以及壓力波動的影響；最后，根據該設備的介質特性，認為是溫度變化引起螺栓預緊力的松弛，從而造成了泄漏。以開車引氨階段液氨過濾器內部溫度變化為例，在合成氨裝置尚未生產出滿足尿素裝置開車所需求熱氨的情況下，需從液氨儲罐通過冷氨產品泵泵送一部分冷氨補充至尿素裝置的中壓系統，為了滿足中壓系統對所接受液氨溫度的工藝要求，冷氨產品泵泵送的冷氨先經氨加熱器后再進入尿素裝置界區，由于冷氨溫度提升需要一定時間，使得引氨初期總有一部分低溫液氨(-20 ℃左右)進入液氨過濾器，而正常運行狀態下合成氨裝置供應的液氨溫度為10 ℃左右，近30 K的負溫差變化首先引起法蘭的冷縮，使墊片壓縮量減小；而緊固螺栓處于環境溫度中，受負溫差影響比法蘭小得多，其冷縮量比法蘭的冷縮量要少得多，原始施加的預緊力使螺栓有一定的伸長量，并使墊片產生一定的壓縮量(形成一定的比壓),但由于介質溫度變化，使螺栓松弛，預緊力發生變化，密封比壓下降，從而引起密封泄漏。據不完全統計，造成法蘭密封泄漏的原因，半數以上是由于螺栓預緊力下降所致。

2　預緊碟簧在解決封頭法蘭密封失效問題中的應用

尿素裝置中壓系統液氨過濾器在開車引氨階段不可避免需要承受近30 K負溫差變化，造成封頭法蘭密封頻繁泄漏，現場數次更換墊片及緊固螺栓均未能有效解決問題。針對螺栓預緊力松弛這一問題，經過多方咨詢，認為在法蘭螺栓兩側安裝一種彈性機械元件——預緊碟簧(圖1)，通過精確計算后確定結構形狀并選用合適的材質,可以在很小的變形下提供足夠的預緊力載荷，從而有效降低密封失效的風險[1]。

2.1碟簧材質的選擇

液氨過濾器封頭法蘭的螺栓規格為M36 mm×340 mm，材質為35CrMoA，8.8級。液氨過濾器為壓力容器，根據部分常用預緊碟簧材質和適用范圍表(表1)，應選擇材質為20813的碟簧。

圖1　碟簧安裝示意

表1部分常用預緊碟簧材質和適用范圍

碟簧材質適用范圍適用螺栓材質設用設備屈服強度/(kN·mm-2)適用溫度(螺栓)/℃693F中強度螺栓,高回復力要求216SS,304SS,15CrMo,20,25高強度螺栓,普通回復力要求35CrMo,20CrMo,45,35,B7,B8閥門,管線法蘭,泵,壓縮機,離心機,攪拌器180-200～33020813高強度螺栓,高回復力要求35CrMo,20CrMo,45,35,B7,B8換熱器,壓力容器溫度>330℃的高溫部位220-156～600510銅鋁專用銅、鋁、銅鋁合金電力線100-240～1501075簡易防松,無需精度補償通用通用220-40～176

2.2碟簧結構形式的選擇

圖2　碟簧設計中考慮的各種力

一般每只螺栓每側安裝1片碟簧就可以滿足絕大多數情況下的補償要求。根據碟簧設計中考慮的各種力(圖2)可以得出，碟簧達到有效預緊必須滿足Pmin

在螺栓兩端各添加1片碟簧后，歷經數次開車引氨，液氨過濾器封頭法蘭密封再未發生泄漏，在改善生產現場操作環境的同時，降低了裝置運行能耗，減輕了對環境的污染。預緊碟簧使用前后封頭法蘭密封情況對比見圖3。

圖3　預緊碟簧使用前后封頭法蘭密封情況對比

3　解決高壓設備管道法蘭密封泄漏問題的建議

尿素裝置高壓設備管道法蘭設計采用曲面密封，法蘭片之間通過加持金屬自緊密封環形墊片(橢圓環形墊片、八角環形墊片和透鏡環形墊片)實現連接部位密封[2]，其密封截面形式見圖4。

圖4　高壓設備管道法蘭密封截面形式

目前，尿素裝置高壓系統主要存在以下幾個部位的外漏隱患：尿素合成塔出液管線調節閥(HV1006)后連接法蘭密封，氨汽提塔上部合成尿液進口管線連接法蘭密封，甲銨噴射器液氨進口法蘭密封，CO2壓縮機四段出口放空閥前連接法蘭密封以及CO2壓縮機四段出口溫度計插入接口法蘭密封。在運行過程中，發現上述部位出現泄漏后，分別通過使用液壓工具或人工敲擊進行螺栓緊固、更換配對法蘭和密封墊片以及帶壓堵漏，均未取得預期效果。究其根本原因，在于發生泄漏部位的連接法蘭以及密封墊片的曲面密封面產生了貫通性損傷；此外，泄漏部位更換合格法蘭和密封墊片之后緊固螺栓的均勻度不易掌握。由于系統開停車過程中存在大的溫度和壓力變化(最大差值約為150 K和14.5 MPa)，導致法蘭連接螺栓預緊力下降，引發密封面局部泄漏，在泄漏無法迅速消除的情況下，特別是具有強腐蝕性的工藝介質在刺漏過程中非常容易損傷曲面密封面。

曲面密封面出現貫通損傷后，無論法蘭密封面還是金屬墊片密封面，不像平面密封面那樣可以采用手磨或機磨進行修復。即使進行修復，如果法蘭與墊片密封面的貼合度不好，非常難以通過提高連接螺栓預緊力來徹底消除在高壓系統開停車階段因大的溫度和壓力變化導致螺栓預緊力下降所引發的外部泄漏。如HV1006后連接法蘭密封部位，檢修期間泄漏部位法蘭以及密封墊片均進行了更換，但在檢修完成開車運行后不久再次出現了泄漏。

在法蘭緊固螺栓兩端加裝合適的預緊碟簧成功解決液氨過濾器封頭法蘭密封失效問題說明，針對因同樣因素導致的高壓設備管道法蘭密封泄漏，使用預緊碟簧也應該是可行和有效的。

4　結語

從液氨過濾器封頭法蘭密封泄漏問題的解決中可看出，泄漏是一個比較復雜多變且常見的問題。煉化裝置多年的運行實踐表明,浮動預緊碟簧安裝簡單，具有使用螺栓預緊技術、高扭力、低行程、厚度大、高溫補償維持的特點,可有效改善密封性能，但必須嚴格按照計算選用符合預緊力要求和材質要求的碟簧，同時配合合適的墊片,在安裝時需按照緊固力要求采用多頭同步扳手依次緊固，才能保證碟簧的作用完全發揮，從而使法蘭密封泄漏問題得到有效治理，降低裝置維護成本和改善現場操作環境。

Analysis of Causes of Liquid Ammonia Filter Head Flange Seal Losing Efficacy and Solution

CHEN Feng, ZHOU Liang

(PetroChina Tarim Oil Field Petrochemical Co.Xinjiang Korla841000)

In connection with the causes of liquid ammonia filter head flange seal losing efficacy during startup introducing ammonia stage of urea plant, discussion and analysis are carried out, and a proposal of installing preload disc spring at both sides of flange bolts is suggested and implemented, and good effect has been obtained. In connection with hidden perils of pipe flange seal leakage of high pressure synthesis system of urea plant, constructive solution is proposed.

flangeseallose efficacydisc spring

陳峰(1981—)，男，工程師，從事設備管理工作；chenfeng_tsh@163.com。

TB42

B

1006- 7779(2016)04- 0046- 04

[1]王志坤，張昕，宋運通，等.預緊碟簧在煉油裝置的應用[J].潤滑與密封，2006(2)：184- 185.

[2]張德姜，王懷義，劉紹葉.石油化工裝置工藝管道設計安裝手冊：管道器材篇[M].北京：中國石化出版社，2009.

2016- 05- 11)