淺析石化裝置蒸汽法蘭密封安全技術

王劍虹，李 永，杜佳慶

（中國石油公司吉林石化公司乙烯廠，吉林吉林 132021）

0 引言

蒸汽法蘭密封是煉化、石化裝置整重化學工業中常用的靜密封。常用靜密封有墊片密封、無墊球面密封和膠劑密封。以蒸汽法蘭墊片密封為例,對法蘭密封泄漏的幾種情況,如墊片的綜合密封性能和法蘭密封面型式、法蘭的機械性能和安裝情況、法蘭安裝標準、螺栓緊固力的大小、法蘭接管的支撐等影響因素進行分析。

法蘭螺栓接頭密封結構簡單可靠，在石化裝置蒸汽系統的應用較為廣泛，同時在石化裝置靜密封中的應用比例＞95%。由于蒸汽系統溫度和壓力較高，靜密封失效數量最多。從法蘭螺栓接頭的材料、失效因素以及緊固力控制等方面進行分析，采取相應措施，以降低蒸汽法蘭失效數量。

1 法蘭螺栓接頭

法蘭螺栓接頭由法蘭、螺栓、墊片3 部分組成，各部分的重要性均等。一個可靠的法蘭螺栓接頭需要各部分共同穩定協調實現。在現場使用中，法蘭墊片螺栓各部分均出現過一些問題。

1.1 法蘭

法蘭材料根據介質的化學和物理性質選擇，此外，高壓蒸汽法蘭設計時還需滿足GB/T 150—1998。在石化裝置的檢維修及安裝中,配對法蘭的平行度、同軸度是蒸汽法蘭密封效果的重要影響因素。配對法蘭的錯口（同軸度）最好低于法蘭外直徑的千分之一,同時需要＜2 mm,不能采用法蘭配對設備強制降低法蘭錯口,不能采用螺栓強行降低。配對法蘭安裝完成后，所有螺栓均應能自由出入，不得有應力。配對法蘭平行度≤1.5%,與旋轉機械連接的法蘭，平行度和同軸度應符合相關規定。

由于平焊法蘭剛度較差，在低壓蒸汽系統中，可以采用平焊法蘭。對焊法蘭剛度較好，可以應用于中低壓蒸汽系統，但需要蒸汽系統工況較為穩定。在石化裝置管道中采用較多的是對焊法蘭，在壓力容器和壓力管道法蘭中一般采用帶頸對焊法蘭。在平行度和同軸度較難滿足的低壓蒸汽系統中，采用活套法蘭也是一種理想選擇。

法蘭密封面有5 種形式，按照應用場合壓力等級，依次是平面、凸面、凹凸面、榫槽面和梯形槽面。密封效果主要由密封面形式及密封面的粗糙度決定。平面法蘭密封面大,螺栓預緊力難以達到足夠大,當壓力較高時墊片容易被吹掉而產生泄漏,密封面表面粗糙度（6.3～12.5）μm，多在壓力不高的情況下使用；凸面法蘭又稱光滑面法蘭，多用于中低壓、無毒、不易燃、不易爆介質的管道；凹凸面法蘭多用于易燃、易爆有毒介質管道；劇毒介質采用榫槽面；高壓管道通常采用梯形槽密封面。一般情況下，蒸汽壓力越高，溫度越高，法蘭密封面的粗糙度越小。

1.2 墊片

墊片的綜合性能直接關系到密封是否安全可靠，其主要由比壓力y 和墊片系數m 兩個參數決定。蒸汽管道法蘭螺栓接頭墊片應根據密封性能、壓力、穩定性等進行選擇。高溫高壓蒸汽介質，采用金屬墊片比較合理；低壓低溫蒸汽、中壓低溫蒸汽等工況選用費用較低、加工比較容易的非金屬墊片即可；金屬和非金屬復合墊片，使用于兩種工況之間；彈性形變較好的自緊式墊片一般應用于工作較復雜及壓力和溫度較大的蒸汽系統；橡膠類墊片在壓力和溫度都不高的真空系統中應用較為廣泛。墊片應具有良好的機械性能和化學性能，不隨工況的變化而變化，且不與介質發生反應。在壓力較低的情況下用薄墊片,高溫高壓時采用較厚的墊片。在條件允許的情況下,使用過的墊片均不建議再次使用，無論是金屬還是非金屬墊片。纏繞墊片在安裝之前，施工作業人員必須再次檢查確認密封面是否平整、鋼帶與石墨之間是否壓實,密封面不得有影響密封性能的貫穿性傷痕、石墨空隙、凹凸不平及銹蝕等質量缺陷，并且還須有合格證。蒸汽管道不建議采用石棉橡膠板墊片，并且無論金屬還是非金屬墊片加工制作均勻,密封面應平整無明顯凹凸點,更不能有任何其他質量缺陷。安裝前還要再次檢查墊片的表面質量以及法蘭和螺栓的質量，確保法蘭螺栓接頭安全有效。螺栓接頭施加緊固力后，墊片應力與墊片形變的關系見圖1。

圖1 墊片應力與墊片形變

1.3 螺栓

螺栓是法蘭螺栓接頭的核心部件，但在現場很容易被忽視。螺栓的機械性能是法蘭螺栓接頭中螺栓選用的基本原則。另外，不銹鋼法蘭不得采用碳鋼螺栓，容易造成電位腐蝕。

2 緊固

在法蘭螺栓接頭的安裝過程中，不但需要焊接可靠，而且均勻合適的緊固力是實現蒸汽法蘭安全可靠密封的重要環節。根據螺栓緊固力和墊片密封應力相關理論，分析和討論蒸汽法蘭螺栓的載荷變化和初始預緊力、密封有效載荷，必須引起現場設備管理人員及相關法蘭墊片螺栓接頭安裝及檢修人員的重視，成為蒸汽法蘭安全有效密封的重要參考。

法蘭螺栓接頭仍然是石油化工、天然氣化工、精細化工、熱電廠等應用最普遍的可拆卸結構之一。由于蒸汽法蘭大多應用于相關裝置內、裝置間、工廠間公用工程、大型蒸汽透平機組以及承壓特種設備，泄漏失效情況時有發生。輕則引起設備、裝置停車，重則造成人員傷亡等惡性設備事故。影響法蘭螺栓接頭安全有效密封的因素眾多，如法蘭機械性能、墊片質量和型式、螺栓應用不正確以及法蘭螺栓接頭安裝檢維修的作業空間、施工方法及工具等。其中墊片最低密封緊固力不足和螺栓法蘭墊片接頭安裝不正確是眾多失效因素中最常見的2 個原因。法蘭螺栓接頭形成安全有效密封的本質，是作業人員使用工具通過螺栓緊固力使墊片產生一定的彈性形變，形變可以彌合法蘭密封的粗糙點及墊片內部縫隙又不至于把墊片壓潰。蒸汽法蘭螺栓接頭投入使用后，因法蘭系統內的壓力、工況變換等形成外力作用，抵消一部分初始安裝時螺栓的預緊力，抵消后的預緊力仍然大于法蘭螺栓安全有效密封的最低壓力。因此可以看出，螺栓初始預緊固力的確定，是蒸汽法蘭安全密封最關鍵的控制點。查閱相關資料和現場工作經驗發現，80%以上蒸汽法蘭失效均由螺栓初始載荷造成的。如螺栓預先施加的緊固載荷選擇不合適或沒有施加均勻足量且合適的螺栓緊固力。螺栓緊固力的確定如圖2 所示。

3 結束語

圖2 螺栓緊固力

從蒸汽法蘭螺栓接頭的3 個主要部件法蘭、螺栓、墊片，以及緊固力等方面進行分析，法蘭螺栓接頭安全密封技術涉及很多方面，不但需要考慮設備自身的問題，還要考慮工藝蒸汽系統的工況。因此針對法蘭螺栓接頭的失效分析，應綜合考慮各種因素，才能保證裝置密封安全可靠。