延遲焦化裝置間歇系統法蘭密封泄漏原因分析及對策

張宏鋒，靖迎濤，馬輝，佟明高，趙玉升

（中國石油獨山子石化分公司第一聯合車間，新疆 獨山子 833699)

獨山子石化公司120萬t/a延遲焦化是由中國石油工程建設公司下屬的華東設計分公司2007年完成設計，采用可調循環比，循環比調節范圍控制在0.2～0.6之間。操作彈性60%～120%。裝置采用一爐兩塔工藝，將加熱的減壓渣油經過裂解和縮合反應生產成為焦炭與油氣。裝置主要分為間歇系統、連續系統，其中連續系統包括分餾、吸收穩定系統，間歇系統包括焦炭塔、涼水系統。2009年9月投產，主要原料油為減壓渣油，屬于重油組分，油品密度（20℃）1.017g/cm3，操作溫度在500°左右，法蘭泄漏輕則冒煙污染環境，重則發生火災爆炸事故。由于焦化裝置的主要工藝生產特點為間歇操作，2009年開工以來由于周期性溫變造成螺栓疲勞、預緊力不足發生法蘭密封泄漏情況，嚴重威脅裝置的長周期安全生產。

1 法蘭泄漏原因分析

導致法蘭泄漏的原因有很多（見圖1），密封墊的原因要占一部分，法蘭連接面是否光潔要占一部分，但最主要的原因還是螺栓預緊力的影響，因為其最難控制。

1.1 設備工況

焦炭塔是焦化裝置的關鍵靜設備，與其相連的油氣管線較多，主要工藝管線均為法蘭連接，操作壓力范圍0～0.3MPa，操作溫度0～500℃，油氣流量變化范圍0～115.5t/h，溫度、流量、壓力循環周期為24小時。

1.2 螺栓預緊力

通常法蘭螺栓安裝一般采用敲擊扳手搭檔大錘的組合方式，以達到螺栓緊固的目的。判斷螺栓緊固是否到位的標準是借助施工人員的經驗，用扳手敲擊螺栓聽聲音。這種方法完全是靠經驗，施加在每套螺栓的力矩值必然會存在差異，更談不上力矩值的精確。這種緊固方法存在先天的缺陷，敲擊扳手在螺母處的作用點與大錘施加在扳手上的作用點之間存在一個力臂，施加的緊固力矩會造成螺栓發生側向偏載（見圖2），使螺母與法蘭接觸面之間、螺母與螺桿螺紋嚙合部位摩擦力增加，這部分額外增加的摩擦力不可預知，力矩損失也就無法確定，因此加載到螺栓的載荷是不精確的。當被密封介質工況發生波動時，法蘭上每套螺栓預緊力的變化是不同的，當螺栓預緊力變化時，殘余的力矩值小于法蘭密封所需的的最小力矩值時就會發生泄漏。

圖1 法蘭密封泄漏原因統計

圖2 扳手類工具存在側向偏載

1.3 墊片選用

根據裝置設計規范要求，公稱壓力PN≥10.0MP(CL600)的法蘭采用環槽型密封配八角型金屬環：PN≤5.0MPa(CL300)的法蘭，采用突面密封面配纏繞式墊片。針對頻繁泄漏的法蘭能量隔離后，打開檢查墊片無缺陷。

1.4 法蘭密封形式

查原始設計說明，法蘭采用與API閥門相配的中國石化行業標準《石油化工鋼制管法蘭》；采用化工部標準《帶頸對焊鋼制管法蘭（美標）》（HG20617-97）的法蘭使用在與設備相連的位置。檢修泄漏位置法蘭，檢查密封面均無制造缺陷。

綜上所述，該裝置間歇系統法蘭泄漏原因主要由溫度、壓力、流量變化，螺栓預緊力力矩值不明確等因素造成。任何石油化工裝置的設備法蘭間均安裝密封墊片，本裝置間歇系統主要采用的密封墊片有波齒墊片、內外環纏繞式墊片。法蘭泄漏具體過程分析，任何形式的密封墊片均有受力承受范圍，假設螺栓預緊力過大就會造成密封墊片失彈，進而損壞失效，投用即會發生泄漏。假設螺栓的預緊力過小，設備內介質在溫度升高時，由于熱傳導的作用，法蘭溫度首先上升，接著螺栓溫度才會上升，這就造成在工藝生產前期法蘭的溫度是高于螺栓的溫度，溫差造成膨脹系數不同緊固螺栓被拉伸。此時螺栓產生的緊固力會比預緊力要大，法蘭間密封墊被進一步壓縮。隨著時間的推移螺栓溫度必然會緩慢上升，最終接近法蘭溫度，密封墊在進一步壓縮后并不能完全回彈，螺栓的預緊力就會減少一些。當工藝操作調整設備內介質發生變化時，法蘭和螺栓的的溫度均會跟隨介質下降而下降，但是溫度變化初期螺栓的溫度要高于法蘭的溫度，此時螺栓的預緊力進一步減少。因此對于壓力、溫度變化頻繁的法蘭來說，螺栓的預緊力是逐步減少的。傳統安裝工具造成每套螺栓的預緊力偏差較大，當法蘭內部的壓力高于法蘭上任何一套螺栓的預緊力時，被密封的介質就會突破密封墊的限制發生泄漏。泄漏介質極易造成法蘭密封面與密封墊損壞，此時重新施加螺栓緊固力也無用。只能采取應急措施解決，例如帶壓堵漏、包焊等。

2 解決泄漏措施

車間嘗試采用高溫預緊碟簧，使用常規液壓板手緊固螺栓，這種緊固工具可以預先設定緊固力矩值，以此來保證施加在每套螺栓的載荷相同，存在的缺陷是驅動力需要有一個反作用力臂來配合，否則常規液壓扳手就不能實現緊固功能。智能型螺栓（Rotabolt）鎖固雖然可以做到每條螺栓的力矩偏差較小，但是不能滿足溫變使用要求。采用凱特克的DISC拉伸墊圈并配合定力矩緊固技術不僅解決法蘭泄漏問題，同時可保障長周期運行。

2.1 碟簧

碟簧是一種承受軸向載荷的錐形環狀墊圈，碟簧（圖3）使用過程厚度不會發生變化，其承受的軸向載荷均勻分布在表面一側的內圈與另一側的外圈，是一種依靠彈性來完成補償的一種元件。當螺栓處于緊固狀態時，碟簧發生形變，將形變能量儲存，當法蘭因為溫度等原因變化時，儲存的能量將會釋放來補償損失的螺栓預緊力。實際應用過程中經常會出現碟簧疲勞導致法蘭泄漏，距離使用預期效果相差較大。

圖3 碟簧形狀圖示

2.2 智能型螺栓(Rotabolt)

專業技術人員首先對法蘭運行條件調研，進行計算來確定螺栓最合適的力矩指示器，保證螺栓不會發生力矩過載，同時確保同一法蘭的每套螺栓緊固力矩值是基本一致。

智能型螺栓（Rotabolt）的特點：①每套螺栓均依管路壓力及溫度設計，并逐套預拉伸及測試。②可確保每套螺栓達到鎖緊設定值時，可達到±5%誤差范圍內，而達到平均鎖固的最佳狀態。③用手即可檢測螺栓鎖緊力（旋轉帽蓋無法旋轉表示已達扭力值，可旋轉則表示尚未達扭力值），投入使用后不需緊固。缺點是需在日常巡檢過程中檢查螺栓是否松動來確定是否進行在線緊固，不能滿足一個檢修周期不緊固的要求。

2.3 DISC拉伸墊圈

采用HYTORC公司在2003年推出了一款新的專利產品凱特克的DISC拉伸墊圈螺栓緊固技術，采用一個特殊的六角形拉伸墊圈，幾何尺寸和法蘭螺栓的螺母相同。結合專用驅動器來緊固螺栓，驅動器以拉伸墊圈為著力點，結合拉伸墊圈下表面與法蘭螺栓孔外表面的摩擦力來平衡反作用力。在驅動器內部旋轉螺母，實現螺栓被拉伸目的，進而帶動墊圈的內螺牙環一起向上移動。當驅動器扭矩低于需要克服緊固摩擦力時，螺栓緊固結束。如圖4～圖6。

圖4 螺栓內部結構標注與剖面圖

圖5 拉伸墊圈

圖6 驅動器內、外套筒剖面圖

（1）新型墊圈與驅動器配合，無需反作用力臂平衡，在結構上就消除了偏載造成螺栓預緊力不精確的因素，緊固過程中的沒有偏載造成的摩擦力，降低了未知的摩擦力影響，驅動器的扭矩轉換成螺栓預緊力值就更為精確。采用HYTORC公司專有的螺栓預緊力控制方案，法蘭緊固力均勻、精確，實現真正意義上的“零泄漏”。

（2）按照法蘭螺栓扭矩管理方案進行工況參數調研（表1），依據調研結果結合ASME制訂的壓力邊界螺栓法蘭連接裝配指南（PCC-1-2010）進行綜合分析，科學制定緊固方案，確保緊固完成后的法蘭零泄漏，長周期穩定運行。其中為保證法蘭不泄漏，螺栓所需的最小預緊力由三部分組成：①克服溫差變化所需的預緊力Pre-Load for TemperatureVariety；②克服內壓所需的預緊力Pre-Load for Testing Pressure；③保證密封墊正常工作所需的預緊力Pre-Load for Gasket Working Pressure。

表1 現場工況參數表

（3）緊固示意圖（圖7）與緊固步驟：①在位置1放置液壓扳手，以四同步方式進行鎖緊，設定預緊力輸出為50%，緊固后測量并調整法蘭間隙。②在位置2放置液壓扳手，以四同步方式進行鎖緊，設定預緊力輸出為50%，測量并調整法蘭間隙。③在位置3、4、5依次放置液壓扳手，以四同步方式進行鎖緊，設定預緊力輸出為100%，測量并調整法蘭間隙。④最后用100%的預緊力，從位置6開始順時緊固所有螺栓，直至所有螺母不在轉動。

圖7

3 結語

新型無反作用力臂螺栓緊固技術真正實現零泄漏，并且得到了石化公司的認可，目前在各套裝置推廣應用。該技術徹底根治延遲焦化裝置間歇系統設備的法蘭泄漏問題，最大限度的降低了檢修風險，節約了檢修成本。同時消除了設備靜密封點的VOC排放，滿足環保標準要求，避免了發生因法蘭泄漏導致的火災、爆炸等惡性事故的發生，為石化裝置的安全平穩運行和保護員工的生命安全提供有力保障。