煉化裝置管道法蘭完整性管理方法的研究應用

祝加軒，李 敏，王 波，張文澤，解志剛

(中國石油獨山子石化分公司研究院，新疆 獨山子 833699)

石油化工裝置管道的泄漏問題一直是困擾煉化企業的難題，輸送的工藝介質一般具有高溫、高壓、易燃、易爆、有毒等特點。管道一旦泄漏，輕則影響裝置連續生產，重則造成嚴重的經濟損失甚至人員傷亡。尤其是近年來在原油劣質化和裝置大型化、高參數化的背景下，工業管道的泄漏問題更加突出。當前煉化企業對管道泄漏問題的管理主要采取的是事故處理方式，沒有對泄漏原因進行深入系統統計和分析，制定的泄漏應急處理措施和長期解決方案不夠科學和系統，未對管道泄漏實施完整性管理措施，導致相同原因的泄漏問題不斷重復發生，甚至出現嚴重事故，不僅影響裝置長周期安全運行，還對環境造成嚴重影響。

近幾年，國內學者對管道法蘭靜密封接頭的泄漏問題開展了工業管道法蘭的泄漏與防護研究工作。研究結果表明，在裝置管道泄漏管理和防護方面，目前尚存在如下3個問題：1)目前國內尚無成套裝置靜密封完整性數據信息化管理的技術依據；2)密封接頭的適用性與使用壽命問題；3)螺栓法蘭接頭的安裝缺乏相應的技術支持。

針對上述3個問題，筆者進行了分析研究，總結了部分典型煉化裝置靜密封點的完整性管理方法，對密封組件進行壽命預測，規范了螺栓法蘭接頭的安裝流程，并在典型的煉化裝置上成功應用，取得了較好的效果[1]。

1 煉化裝置靜密封完整性管理方法的建立

通過成套裝置的大量法蘭密封泄漏案例的調研，進一步對法蘭泄漏規律進行分析，可以發現引起法蘭泄漏的原因有運行環境惡劣、操作參數波動、密封元件不匹配、密封元件質量控制不嚴、設計或安裝不當等因素，即法蘭泄漏涉及到設計、制造、安裝和運行整個環節，只有保證每個環節密封元件達到規定要求，才有可能保證密封點不發生泄漏。因而，法蘭密封結構完整性管理方法的建立，將從密封結構信息化管理、密封組件適用性、風險評價、泄漏控制等多個方面綜合考慮，形成一套完整的技術方法[2]。

1.1 法蘭密封結構信息化管理

法蘭靜密封點的信息化管理如圖1所示，主要包括密封點的基本信息、組件信息、點位信息和泄漏歷史信息管理。

圖1 法蘭密封點信息化管理基本框架

在信息化管理工作中，其基本框架流程如下。

1)管道基本信息是基礎，以管道基本信息構建密封點信息，其中管道基本信息主要包括：分廠名稱、車間名稱、區域名稱、單元、管道編號、圖號、管道起點、管道止點等信息。

2)密封點基本信息是將某管道下的所屬密封點納入到管理范圍之內，主要信息包括密封點編號、密封點描述等內容。其中，密封點編號需要結合管道信息進行二次編碼，建議裝置內靜密封點按類型(閥門、法蘭、開口管線和連接件(管帽、活接、絲堵、絲扣等))進行編碼規則設計。

3)密封點組件信息從屬于密封點基本信息，主要是提供每個密封結構詳細的法蘭材質、墊片類型、螺栓規格和數量等信息。

1.2 密封組件適用性評價

法蘭密封泄漏失效案例調研工作表明，密封元件不匹配也是造成泄漏的眾多原因之一。墊片材質同法蘭、介質不匹配，造成墊片開裂，從而導致泄漏；墊片材料中石墨材質不達標，高溫氧化分解導致泄漏；墊片類型誤用導致泄漏；螺栓同介質不匹配，發生應力腐蝕開裂，造成螺栓力下降導致泄漏。因此，在法蘭密封結構完整性管理方法中需要引入密封組件的適用性評價內容。

適用性是用來評估所提出或采用的方法在實際使用環境下的適應程度，即在正常使用條件下滿足預定使用要求的能力。密封組件的適用性是指密封組成件中各個要素及其組成的整體，在服役環境下能否發揮密封作用，保證介質不外漏。本項目中的研究對象是螺栓法蘭接頭靜密封，因此，密封組件的適用性評價，主要是研究法蘭、墊片和螺栓等3個要素在具體服役環境(介質、溫度和壓力等)下的適用程度，即適用性評價主要包括密封接頭失效模式分析和密封接頭匹配度分析等內容，該部分的詳細內容將在密封組件適用性研究中介紹，此處不再贅述。

1.3 風險評價

成套裝置內存在數量眾多、各式各樣的螺栓法蘭密封結構，不僅有盛裝水、壓縮空氣的低壓密封結構，還有盛裝蒸汽、碳氫化合物、易燃易爆氣體的高壓密封結構。盡管每個法蘭密封結構均應該按照規范進行設計、安裝，但考慮到潛在失效后果因素，盛裝高壓、危險介質的密封結構需要附加設計、安裝、維護以及其他要求。因此，法密封結構的風險分析在完整性技術內容中是不可缺少的一部分，通過風險分析評價密封結構的重要度，進而根據重要度情況合理配置檢維修資源，保障法蘭結構的密封性能。

法蘭密封結構的重要度，受到本質安全、安裝水平、運行環境等因素的影響，因此，法蘭密封結構風險評價應考慮上述因素的影響，從失效可能性和失效后果兩個方面對法蘭密封結構進行量化評價。

法蘭密封結構風險分級方法采用半定量風險分析方法，以法蘭密封設計、操作參數為基礎，結合生產情況以及法蘭的安全特征和變化狀況，評估法蘭密封結構的風險水平。風險值R較高的法蘭密封結構應采取降低風險的措施，使風險值降低到可接受的范圍內。

承壓設備法蘭密封結構風險評價的一般工作流程如圖2所示，主要包括如下關鍵環節。

圖2 法蘭密封結構風險評估流程圖

1.4 泄漏控制

在法蘭密封結構的完整性管理方法中，從密封結構信息化管理、密封組件適用性到風險評價，這一過程是保障法蘭結構密封性能的基本要求，均是為泄漏控制做支撐的，即泄漏控制措施是保證接頭密封性能的關鍵一環。泄漏控制措施邏輯框圖如圖3所示。

圖3 泄漏控制措施邏輯框圖

依據法蘭密封結構已發生的泄漏情況來看，緊固力是否合理以及施加方式對于安裝之后的密封性能至關重要。對于通過多次緊固，仍然無法實現密封的法蘭結構，更換部分密封元件之后再次進行緊固，能夠達到預期目標。而上述2種方式均失效后，表明傳統強度設計方法已無法滿足密封要求，可考慮再設計，以泄漏率為指標進行詳細設計。因此，法蘭密封結構的泄漏控制措施主要包括緊固、更換密封元件后緊固、再設計等3個方面，其優先級依次降低，詳細描述如下。

1)緊固。首先，根據GB 150計算法蘭密封結構預緊力及安裝力矩，對于高溫法蘭密封結構考慮溫度補償因素，并進行法蘭密封結構剛度校核；其次，依據法蘭密封結構的風險評價結構選擇相應的安裝方法。

2)更換密封元件后緊固。對于采用上述緊固步驟無法達到降漏目標的法蘭，停機更換新墊片或低泄漏墊片后再緊固，法蘭密封結構預緊力及安裝力矩計算、校核和安裝方式的選擇同1)緊固。

3)再設計。對于按照上述兩步驟均無法達到降漏目標的法蘭，考慮按照泄漏率指標進行重新設計。

2 密封組件壽命預測技術研究

2.1 密封墊片壽命預測技術

密封墊片壽命預測技術研究旨在通過該技術預測某一類型墊片在具體工況下的平均使用時間，一方面為墊片的備品備件工作提供指導，另一方面可以制定墊片的更換周期，預防泄漏事故的發生。

在石化成套裝置內，非金屬墊片和半金屬墊片的使用量最大。非金屬墊片主要有聚四氟乙烯墊片、柔性石墨墊片、無石棉橡膠墊片、有機纖維增強墊片等；半金屬墊片有金屬包覆墊片、石墨填充金屬齒形墊片、石墨填充金屬纏繞墊片等。對于使用非金屬墊片或半金屬墊片而言，由于密封墊片材料老化、龜裂、變質以及在工作應力下的蠕變松弛所導致的界面泄漏和滲透泄漏約占總泄漏量的80%～90%，因此壽命預測主要針對非金屬墊片或半金屬墊片，主要的試驗方法是加速壽命試驗方法。

2.2 螺栓壽命預測方法

在用螺栓的潛在失效模式為由交變載荷引起的機械疲勞塑性斷裂失效和因常時間高溫下服役形成的蠕變斷裂失效，以及二者的耦合[3]。

1)在用螺栓疲勞壽命計算：基于GL規范，采用疲勞分析方法對在用螺栓進行疲勞分析，計算在用螺栓的疲勞損傷。根據由實驗得到的不同溫度、預緊力、載荷比等條件下的S-N疲勞曲線，采用線性累積損傷理論(Palmgren-Miner)并結合應力-壽命準則，計算在用螺栓在上述損傷情況下的剩余疲勞壽命。

2)在用螺栓蠕變壽命計算：根據由實驗得到的不同溫度、預緊力作用下螺栓的蠕變拉伸曲線，采用時間-溫度參數法，也即Larson-Miller方法，計算在用螺栓結構的剩余壽命。

3)機械疲勞和蠕變耦合作用：將螺栓所受的機械疲勞損傷和蠕變損傷進行線性疊加，計算在交變載荷和高溫工況共同作用下在用螺栓結構的剩余壽命。

4)綜合評價方法。

螺栓壽命預測方法：a.采用線性累積損傷理論(Palmgren-Miner)并結合應力-壽命準則，計算在用螺栓在上述損傷情況下的剩余疲勞壽命；b.根據由實驗得到的不同溫度、預緊力作用下螺栓的蠕變拉伸曲線，采用時間-溫度參數法，也即Larson-Miller方法，計算在用螺栓結構的剩余壽命；c.將螺栓所受的機械疲勞損傷和蠕變損傷進行線性疊加，計算在交變載荷和高溫工況共同作用下在用螺栓結構的剩余壽命。

對于具有開裂敏感性的螺栓，參照GB 30579標準判斷其開裂敏感程度，在計算壽命的基礎上除以安全系數，彌補開裂造成的壽命損失。

3 螺栓法蘭接頭的安裝流程

3.1 螺栓預緊力確定

螺栓緊固前，應首先根據設計要求、工藝參數、相關標準及規范等確定螺栓預緊力。其值應大于設計及相關標準規定的最小值，但一般不大于設計及相關標準規定的最大值。在任何情況下，螺栓預緊力都不能超過螺栓屈服極限強度、法蘭剛度以及密封墊片的最大壓潰力。

國內目前常用的預緊力計算方法主要有3種：第1種是基于GB 150的改進方法，該方法是以Waters研究成果為基礎，以彈塑性力學的平板理論為基礎，技術必須在預緊時使螺栓力在壓緊面與墊片之間建立起不低于y值的比壓力[4]；同時在設備工作時，螺栓力應能夠抵抗內壓的作用，并且在墊片表面維持m倍內壓的比壓力；第2種是基于ASME PCC-1的目標螺栓應力法[5]，以規定或選定螺栓材料屈服強度的某一百分數為安裝需要達到的螺栓應力，從而計算出相應的安裝螺栓載荷；第3種是目標墊片應力法，該方法依據墊片制造企業提供的產品需要的壓縮墊片應力，從而給出不同壓力等級法蘭、螺栓材料和墊片類型的安裝螺栓載荷或力矩表，與目標螺栓載荷法對應[6]。

通過3種方法的分析比較，基于GB 150改進的方法有顯著優點。它考慮了開工期間冷、熱環境造成的膨脹差對預緊力的補償，以及墊片最大壓潰應力對預緊力的限制，還將螺栓材料屈服強度的限制也納入其中，因此建議利用該方法計算預緊力。

3.2 螺栓緊固方式的選擇

常用的緊固方式通常有液壓扭矩扳手、氣動扭矩扳手、鋰電池扭矩扳手及手動力矩扳手；高精度螺栓預緊力緊固方式有液壓拉伸法、帶機械式拉伸螺母的扭矩拉伸法、無反作用力臂扭矩拉伸法。

根據管道法蘭泄漏風險的高低確定法蘭緊固方式，法蘭泄漏風險等級可以分為低、中、高風險3級：1)高風險法蘭應選用高精度的螺栓預緊力緊固方式進行緊固；2)中風險法蘭應選用高精度的螺栓預緊力緊固方式以及液壓扭矩扳手、氣動扭矩扳手、鋰電池扭矩扳手進行緊固；3)低風險法蘭采用普通預緊力控制緊固方式，包括扭矩法等。

3.3 螺栓的緊固安裝

螺栓緊固安裝也是決定管道法蘭接頭可靠性的一個關鍵因素[7]。在其中，除了緊固螺栓工具外，緊固螺栓的順序、步驟和步驟載荷等對于墊片應力大小及其分布均勻性和法蘭的偏轉[8]，在保證法蘭接頭的完整性上也是極其重要的。

目前，工程應用中同時采用幾個緊固工具同步緊固多個螺栓的方法可以減少對墊片的損傷，單一工具逐個交叉緊固方法相比更簡單，且緊固效果更好[9]。這種方法通常用于煉油、石化和核電等重要設備場合。安裝法蘭接頭還需要關注如下幾點。

1)安裝前檢查、清理。

移去舊墊片，清除殘留在法蘭密封面上的舊墊片材料。檢查法蘭密封面有無裂紋、劃痕(尤其是徑向劃痕)工具錘擊痕跡、腐蝕凹坑等影響密封的缺陷。確認法蘭密封面型式與所用的墊片型式相符，其表面粗糙度應與墊片類型相適配。除非金屬平墊片外，全面或突面法蘭密封面不應設有輔助密封線。法蘭接頭的密封面之間只允許安裝一個墊片。確認緊固件、墊片符合設計要求的規格和材料檢查緊固件，墊片有無裂痕、切屑、毛刺、銹蝕、毛邊和其他損傷。清除所有存在于密封面、緊固件(包括螺栓、螺母和墊圈)上的銹跡、污垢和外來雜物。選擇合適潤滑劑并均勻地涂覆在螺栓、螺母和墊圈的承載表面，不要將潤滑劑沾染在法蘭密封面或墊片表面上。

2)法蘭接頭校正。

法蘭中心線平行度、法蘭端面的不平行度、螺栓孔和螺栓的錯位、法蘭的最大間隙應符合相關標準規范要求。

3)潤滑。

潤滑是緊固力矩有效性的重要保證。有效性意味著相同的緊固力矩用在潤滑很差的緊固件上產生的預緊載荷將顯著不同。使用規定的或認可的潤滑劑，均勻地涂敷在螺栓和螺母的內外螺紋，以及螺栓頭、螺母和墊圈的承載表面，并避免潤滑劑沾染在墊片和法蘭密封面上。潤滑劑應適合緊固件材料、使用介質和使用溫度。對于不銹鋼材料的緊固件，應采用氯、氟、硫化合物含量低的潤滑劑。

4)墊圈。

如前所述，螺栓頭或螺母的承載表面與法蘭表面之間的摩擦占劇了緊固扭矩損失的50%，因此對重要的場合推薦安裝鋼墊圈，這樣為螺栓頭或螺母提供光滑和低摩擦的承載表面，提高了力矩扳手的緊固效率，也減輕了對法蘭和螺母承載表面的損傷[10]。

5)再緊固。

軟質材料墊片泄漏的主要原因之一是墊片的蠕變松弛，這一影響在高溫(特別是操作溫度≥100 ℃)下隨時間推移而逐漸積累，其后果是墊片上的壓縮應力下降，增加了泄漏的可能性。因此，一般推薦在初始裝配后24 h，以及在48和72 h后，將螺栓重新緊固到預定扭矩值(通常在室溫下再緊固)。

4 管道法蘭靜密封完整性管理方法的應用效果與分析比較

利用本文中的管理方法對某煉油廠蒸餾裝置管道法蘭靜密封點進行完整性管理實施，對纏繞式墊片和螺栓壽命進行了預測，該管理方法的應用效果良好，得到了裝置管理人員的認可。

4.1 管道法蘭靜密封點數據管理的應用效果

利用管道法蘭靜密封點信息化系統完成某煉油廠蒸餾裝置1 285條工藝管道的信息錄入，利用數據庫功能完成工藝管道的信息錄入，通過管道位號可迅速查詢管道的基本信息、對應密封點位置及類型以及組件信息。管道和密封點及組件信息如圖4所示。

靜密封點數據庫模塊還可實現管道密封點的可視化管理功能。根據管道單線圖查找管道現場位置，由管道起點(或終點)出發，按照管道走向對其進行圖像采集，直至管道終點(或起點)。重點采集密封點處的圖像信息如圖5所示。

a) 管道基本信息

b) 密封點及組件信息

a) 管道單線圖

b) 管道起點 c) 管道走向1 d) 管道走向2 e) 管道終點

管道法蘭靜密封點數據管理的應用，將龐大的法蘭密封點利用預先設定好的編號規則進行統計，再利用可視化功能詳細地展現每個法蘭密封的工況、參數等關鍵信息，通過快速的“模糊搜索”實現快速查詢，從而提高設備管理的效率。

4.2 密封組件適用性評價和壽命預測的應用效果

結合煉化裝置泄漏規律分析結果，對使用的墊片和螺栓進行壽命預測和適用性評價，為螺栓墊片的更換周期和適用性提供指導依據。以該裝置的常減壓為例，按照不同區域給出了高溫螺栓法蘭接頭管道及其靜密封件的類型(見表1)。

表1 不同區域高溫螺栓法蘭接頭類型

分析表1可以發現，高溫情況下的墊片會發生松弛、石墨氧化缺失等，因此，墊片的力學性能和密封性能下降，進而造成接頭泄漏率超標，發生泄漏失效。

利用墊片加速壽命試驗，預測墊片在當前工況下的使用壽命。試驗介質：氦氣。墊片類型：0Cr18Ni9+柔性石墨帶，PN2.0 DN40的墊片，墊片帶內環和定位環。試驗條件：1)墊片室溫下的氦氣泄漏試驗；2)墊片按照一定的溫度和時間，在高溫爐中(空氣介質)開展時效試驗，實驗前測試墊片質量和尺寸(詳細的直徑及厚度尺寸)，試驗具體過程本文不再贅述。

通過試驗可以確定當前墊片在目前的環境下使用，若嚴格控制溫度不超標、安裝正確，則可以滿足VOCs排放要求。

繼續分析表1可以發現，使用的螺栓主要采用等長雙頭螺柱和Ⅱ型六角螺母，根據材質可以分為2種規格，其一材質為35CrMoA，公稱直徑為M20；另外一種螺栓材質為25CrMoVA，公稱直徑為M33。這兩種螺栓采用螺栓拉-拉疲勞實驗和理論分析相結合的方法開展剩余壽命研究。分析結果表明，該螺栓材料在較高的疲勞載荷作用下，疲勞壽命>2.7×106，具有較好的抗疲勞性能，能夠滿足目前的疲勞工況的使用。

密封組件適用性評價和壽命預測的應用，能夠精確分析法蘭密封點組件的有效性，判斷組件是否會因高溫、壓力波動等工況的波動造成失效，提高設備管理的準確性，避免不必要的組件更換，達到降本增效的目的。

4.3 管道法蘭結構防泄漏緊固施工的應用效果

以蒸餾裝置某管道檢修過程中開展的管道法蘭結構防泄漏緊固施工為例。根據圖樣，螺栓標準為M36×650B(JB/T 4707—2000)，螺柱尺寸如圖6所示，主要尺寸數據見表2。螺栓數量為72，螺栓/螺母材料為35CrMoA/30CrMoA，腐蝕裕量為0。

圖6 B型螺柱

表2 螺栓尺寸

法蘭連接如圖7所示，為凹凸面密封型式。

圖7 管箱法蘭尺寸圖

通過輸入法蘭密封結構的基本信息、螺栓參數、墊片參數、法蘭參數、補償溫差等參數，應用計算機軟件，根據GB 150的要求，精確計算出螺栓最大預緊力、法蘭最小預緊載荷、法蘭密封最小螺栓載荷、螺栓預緊力矩等數值，螺栓預緊力矩計算結果如圖8所示。在完成緊固后，對密封部位進行VOC檢測，檢測結果符合要求，均為0 ppb。

圖8 螺栓預緊力矩

管道法蘭結構防泄漏緊固施工的應用，明確了螺栓預緊力，規范了現場安裝施工流程，確保了安裝的有效性，避免了裝置開工過程中因安裝施工不規范導致的泄漏發生，降低了開停工的成本。

4.4 管道法蘭靜密封完整性管理方法的應用比較

利用本文中的管理方法對某煉油廠蒸餾裝置管道法蘭靜密封點進行完整性管理實施，統計應用前后各一年的數據進行應用比較，證明該方法具有良好的效果。

1)法蘭靜密封泄漏率。

統計數據見表3，通過管道法蘭靜密封完整性管理方法的應用使法蘭靜密封泄漏率下降了近一半。

表3 法蘭靜密封泄漏率對比

2)管理效率。

數據化信息管理提高了管理效率，降低了勞動成本。以確定不同的5條管道上的20個法蘭靜密封點的參數為例，應用前需要查詢檔案庫中的設計資料、施工資料等，應用后只需按照編號規則進行模糊查詢，統計用時如圖9所示，節約時間高達90%。而且利用數據庫對歷史發生泄漏進行系統統計，提高對密封點發生預測，降低泄漏損失。

圖9 數據查詢時間對比

3)緊固施工合格率。

在該方法應用前，發現由于傳統緊固施工不考慮法蘭密封點使用時的溫度影響，導致高溫(>250 ℃)安裝過緊拆卸困難，而低溫工況的又需要二次把緊，以及振動法蘭靜密封點螺栓松動等問題，造成緊固施工的合格率較低，僅有80%。利用該方法的一年中，由于計算緊固力矩考慮使用溫度，安裝過程規范化、標準化，緊固施工合格率提升至95%。

4)法蘭靜密封點組件更換的準確性。

使用該方法前，法蘭靜密封點組件如墊片和螺栓，均為計劃性更換。統計數據發現，更換時大量的墊片和螺栓均依舊有效、能夠使用。利用本文方法通過風險評估將所有的密封點進行風險分級，并對中高風險密封點進行統計，再根據壽命預測進行更換周期的確定。精準定位了需要更換的密封點和更換周期。避免密封點的更換數量過剩或不足，實現了精準管理和降本增效。

5 結語

通過對煉化裝置管道法蘭靜密封完整性管理方法的研究，成功建立了以物流回路為基礎的密封點信息化完整性管理方法，解決了成套裝置工業管道法蘭靜密封數量多、管理難度大的問題。提出泄漏機理分析和統計學方法相結合的密封組件壽命評價方法，解決了在用管道法蘭靜密封接頭密封件壽命預測技術中，按照傳統實驗方法無法滿足理論和現場實際相結合的問題。優選了螺栓法蘭接頭緊固力矩計算方法，規范化緊固施工過程，解決了緊固施工的問題。對規范裝置的泄漏管理、控制靜密封接頭泄漏導致的潛在風險以及提高靜密封管理水平具有重要作用。