蒸汽法蘭密封泄漏原因分析及處理方法

摘 要：煉鐵工序中蒸汽主要用于置換高爐爐體、重力除塵器及熱風爐等內部的煤氣，以便維修人員對設備進行檢查、檢修。同時，蒸汽還用作煉鐵工序部分設備的保溫，以保證設備的穩定、高效的運行。此外，蒸汽還是高爐鼓風加濕的主要能源介質，通過在高爐鼓風中增加一定量蒸汽，可以有效的保持爐缸熱狀態的穩定無波動。故本文選取蒸汽法蘭密封泄漏為研究對象，闡述法蘭密封的概念、泄漏形式以及蒸汽法蘭密封泄漏的原因分析。根據分析的結果，結合我公司的現場、生產實際，提出了蒸汽法蘭泄漏的解決方法。

關鍵詞：蒸汽;法蘭密封;泄漏;墊片

引言

蒸汽系統法蘭密封泄漏原因較復雜，同時，蒸汽法蘭密封泄漏將直接或者間接的造成高爐的檢修脫期、高爐爐況不順穩，因此對高爐蒸汽法蘭密封的泄漏有著嚴格的要求。為了確保蒸汽法蘭密封效果，本人對蒸汽法蘭密封泄露提出了處理方法，其包括密封墊片、法蘭之間增加高溫密封脂及法蘭螺栓增加蝶簧。結合本公司煉鐵作業部對二號高爐鼓風蒸汽加濕控制閥法蘭密封泄漏的處理，闡述了蒸汽法蘭密封泄露的處理方法及實施效果。本文僅對蒸汽法蘭密封泄漏現象、原因及處理方法做簡要分析，以期在實際生產實踐過程中能起到積極的作用。

一、法蘭密封

法蘭連接一般是由法蘭、墊片和螺栓一螺母三部分組成。通常靠上緊螺栓，使法蘭密封面壓緊墊片，墊片產生彈塑性變形，填滿法蘭密封面上由于加工粗糙度等微觀凹凸不平形成的間隙來實現密封。法蘭連接雖具有結構簡單、可實現多次重復拆裝及使用等優點，但如果對法蘭、墊片和螺栓螺母等選用不當，或者安裝不正確，都會引起法蘭聯接處嚴重泄漏，導致密封失效。如圖1，法蘭密封結構圖。

二、泄漏形式

法蘭連接泄漏有兩種形式：一種是沿法蘭與墊片的接觸面（即密封面）的泄漏，叫作“界面泄漏”。界面泄漏是由于法蘭密封面與墊片密封面具有一定的粗糙度、不平度等，致使兩者的接觸面上存在著間隙造成的。依靠上緊螺栓減小接觸界面的間隙，是減少泄漏的有利方法之一。第二種是對由纖維制成的非金屬墊片透過纖維間微小間隙的泄漏，稱為“滲透泄漏”。滲透泄漏可視為毛細現象，泄漏量大小與材質的緊密度有關。在纖維材料中添加某些填充劑，如石棉加入橡膠;用纖維性材料與金屬材料一起成型為組合式墊片，如不銹鋼石墨纏繞墊片、金屬包墊片等，都能避免滲透泄漏現象。

一般來講，高溫介質法蘭密封大多數泄漏屬于界面泄漏且產生的危害比滲透泄漏大得多。因此，本文主要考慮研究界面泄漏。

三、蒸汽法蘭密封泄漏的原因分析

（一）蒸汽管道冷態的狀態下引入蒸汽產生液擊的情況

結合本公司蒸汽壓力浮動較大的特點，對蒸汽法蘭密封泄漏做進一步詳細的分析，其原因如下：

（1）在非供暖期時，公司飽和蒸汽管線壓力平均0.9MPa，蒸汽管道在冷態的情況下引入蒸汽時，由于管道的溫度低于蒸汽的溫度，使得管道及其他附屬設施在被加熱過程中，消耗蒸汽一部分能量，導致蒸汽放熱而由飽和蒸汽變成不飽和蒸汽，析出冷凝水的同時降低了蒸汽介質的溫度和壓力。由于冷凝水的析出造成蒸汽中帶水，在蒸汽管道中其流速較快、流量較大而產生了液擊現象。此時，液擊對局部管道沖擊力量較大，特別是在法蘭密封處的影響尤為嚴重，在法蘭的緊固螺栓處產生巨大的拉伸力。此時，螺栓發生拉伸變形，導致螺栓對法蘭密封墊片的緊固力低于其密封所需壓緊力，而導致法蘭密封瞬間失效。

（2）在供暖期時，公司飽和蒸汽管線壓力平均低于0.4MPa，蒸汽含水量較大，且蒸汽流速、壓力較小。蒸汽管道在冷態的情況下引入蒸汽，管道內液擊的力量達不到拉伸螺栓變形，但是降低其緊固力，在瞬間的沖擊力釋放后，螺栓在受拉伸后的回彈力的作用下，對密封墊片的壓縮量瞬間劇增，在這種頻繁液擊拉伸和回彈壓縮的交變載荷作用下，螺栓和金屬密封墊片發生塑性變形、回彈能力降低，導致法蘭密封面與密封墊片表面出現相對分離，從而發生失效泄漏。

（二）蒸汽管道穩定輸送蒸汽的情況

在蒸汽管道正常運行時期，也會發生法蘭密封泄漏。這是由于在蒸汽管路升溫階段，墊片、法蘭受熱膨脹，它們之間的壓緊力增大;法蘭、螺栓也受熱膨脹，而法蘭的熱膨脹量大于螺栓，它們之間額外的溫度載荷又加劇了螺栓緊固力，使得墊片處的壓緊力增大。在蒸汽管路穩定運行階段，由于管道及附屬設施一直處在高溫、飽和蒸汽環境中，金屬材料的彈性模量、屈服極限將大幅降低，墊片發生蠕變、回彈能力降低而導致失效。法蘭由于較墊片厚得多、較螺栓短得多，故主要出現彈性變形，而塑性變形較小。當蒸汽增加或者減少用量，導致蒸汽管網跟隨其波動的情況下，已發生法蘭密封墊失效處就會發生泄漏。

（三）在蒸汽管道溫度下降的情況

由于設備、工藝等因素的影響，致使部分蒸汽管線在鋪設時不可避免地產生局部盲端、死角及泄水難點，該處長期聚集流動性差的蒸汽，其熱量逐漸通過管線傳導到外界環境（盡管有管線外部覆有厚厚的保溫層，但只要存在溫度差，其也不能保證絕對不散失熱量，只是熱量散失的速度慢一些），導致該處的蒸汽逐漸冷卻生成冷凝水。這種情況下，管線的溫度就會從飽和蒸汽降至100℃以下的冷凝水溫度。在升溫階段，因法蘭接觸蒸汽，而螺栓受到通過法蘭傳導的熱量，故二者存在的溫差使得它們的熱膨脹量不一致，因而相互約束，不能自由膨脹，必然又產生附加的溫度載荷。由于它們長期處于高溫、高壓狀態下，金屬材料的彈性模量、屈服極限均大幅降低，導致發生塑性變形，回彈能力下降。當溫度降低后螺栓往往并沒有隨法蘭按同一收縮量回彈，導致緊固力降低，在法蘭密封面出現間隙，從而發生法蘭密封失效泄漏。

由此，蒸汽管路法蘭泄漏，主要是由于高溫及交變載荷下，墊片發生塑性變形、回彈能力降低;螺栓發生較大的拉伸變形而緊固力下降，無法彌補墊片變形產生的間隙量或對墊片壓緊力小于其密封所需壓緊力時，導致密封失效。

四、蒸汽法蘭密封泄漏的解決方法

（一）增大法蘭和密封墊片之間的密封接觸面

在密封處涂抹汽輪機密封用的高溫密封脂，該密封脂將法蘭密封面和墊片之間所有微小間隙及缺陷表面均填滿，其接觸面積要遠遠大于墊片表面與法蘭密封面之間面積，且隨溫度逐漸升高開始固化，并長期保持一定彈性。

（二）加強控制螺栓緊固力的穩定狀態

（1）在每個螺栓上增加一片碟簧，碟簧的選取按照法蘭的工作溫度、壓力以及螺栓的材質、規格和數量進行確定;

（2）安裝時采用手動扳手緊固螺栓，確保將碟簧擰緊至剛好完全展平為止。

（3）為了達到更好的密封效果，要均勻的擰緊螺栓。

在設備正常穩定的運轉過程中，受到高溫及交變載荷作用下，墊片發生變形，但其表面固化的高溫密封脂仍保持良好的彈性;螺栓由于塑性變形伸長，但隨之施加在碟簧上的壓力減小，其發生彈性回復，使得螺栓一直保持在原有壓緊力的狀態，從而杜絕了法蘭密封失效導致的泄漏問題。

五、蒸汽法蘭密封泄漏解決方法應用實例

（一）二號高爐鼓風蒸汽加濕閥法蘭密封泄漏解決效果

2011年12月，鼓風蒸汽加濕管道檢修完后，在開始引入蒸汽期間首道手動閘閥（A）外法蘭密封處發生泄漏，其法蘭密封泄漏原因如下：

（1）當檢修完畢后，蒸汽管道處于冷態時引入蒸汽，析出了大量的冷凝水且沒有及時排除，致使出現了頻繁的液擊現象，在法蘭密封處產生了較大的交變載荷，且法蘭密封墊發生塑性變形、回彈能力較低。

（2）由于A閥門至公司管網a處距離僅為21.5m，公司蒸汽管網的負荷波動在A閥門外口處產生了交變載荷;加之加濕蒸汽管道引入蒸汽開始階段，加濕系統的流量、壓力調整較頻繁，在A閥門法蘭里口也產生了交變載荷。

綜上所述，由于已上兩點原因造成蒸汽管道法蘭密封泄漏。

2011年10月，利用檢修對該處進行細致的處理。處理方法如下：回裝時在密封墊片與密封面之間涂抹高溫密封脂;每個螺栓上加一件預緊碟簧。根據密封法蘭為PN2.5-DN200的突面（RF）法蘭，密封墊片為金屬包覆墊片，螺栓為24套材質20#鋼的M33單頭螺栓，工藝介質為壓力0.4 MPa --0.9MPa（溫度158℃--182℃）的飽和蒸汽，以及通過強度計算及咨詢廠家選取碟簧型號為SY1512 （60*33.8*10.5*11）。運行至2014年3月（二高爐檢修期間拆開檢查），經歷了多次系統波動和短停，均未出現泄漏現象。

六、結論

綜合以上分析和現場實際應用情況可知：蒸汽管路的螺栓、墊片承受著靜載荷、沖擊載荷以及交變載荷等多方面因素的影響，傳統的緊固方式在這些綜合因素的作用下無法保證絕對的無泄漏。采用密封面涂高溫密封脂和螺栓加碟簧的方式既簡單，又可定量控制施工質量（通過直觀的觀察碟簧被緊固展平即可），有效地解決了蒸汽系統的法蘭泄漏問題。同時，還要用科學、合理的方法對設備進行管理，定期有效的實施管理，才能確保設備長期穩定運行。

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作者簡介：

王冬寶（1983-），男，河北省唐山市人，機械設備工程師，能源管理高級工程師，本科，畢業于燕山大學，現就職于：北京首鋼股份有限公司。