鍋爐給水預熱器管箱法蘭泄漏原因分析

符世旭

(曲靖重型機械制造有限公司，云南 曲靖 655000)

某公司鍋爐給水預熱器是甲醇工藝生產裝置的重要設備。該設備在投用6年后，管箱法蘭密封面在運行中出現不同程度的泄漏，現場經多次反復處理，均不能有效解決泄漏問題。由于泄漏物質為易燃易爆的介質，不僅造成物料的浪費，而且嚴重影響生產工藝裝置的安全穩定長周期運行。我公司應業主要求對該設備的泄漏故障進行處理。通過對該設備結構及運行故障情況進行現場勘察分析，提出相應改進處理建議措施，實施后達到預期效果。

1 設備結構及工藝參數簡介

該設備結構形式為U形管殼式熱交換器，管箱為帶分程隔板的雙管程結構；管箱與管板連接采用法蘭連接，管板采用固定管板兼做法蘭形式，管板與殼程筒體連接采用焊接連接結構。管箱與管板連接結構見圖1。

圖1 管箱與管板連接結構

管箱法蘭采用壓力容器標準法蘭，規格為JB/T 4703-2000 PN 6.3 MPa DN 800 mm，材質為 16 Mn 鍛件堆焊321材料，密封型形式為凹凸密封；墊片為帶內加強環的不銹鋼柔性石墨纏繞墊片，厚度為 4.5 mm；螺栓規格為M36，數量36顆，材料為35CrMoA；管板材料為06Cr18Ni11Ti鍛件[1]，厚度 140 mm；管箱筒體及封頭材料為06Cr18Ni11Ti，厚度為 12 mm。鍋爐給水預熱器的設備工藝參數見表1。

表1 鍋爐給水預熱器的工藝參數

2 管箱法蘭泄漏情況

該設備自投用以來，管箱法蘭密封面在每次重新開車后均出現不同程度的泄漏，現場多次對管箱密封面進行修復，更換新纏繞墊片，二次緊固螺栓等，但均不能有效解決該設備法蘭的泄漏問題[2]。在裝置停車期間，對設備管箱多次進行開蓋檢查，發現密封面除局部有壓痕外基本完好，但纏繞墊片出現局部被壓潰、散架、內加強環與墊片密封部分已分離等損壞情況(圖2)。從以往采取措施的實施效果來看，結果不太理想，因而本次處理很有必要對該設備管箱法蘭泄漏的原因作進一步分析，以便采取更為合理的解決措施。

3 管箱法蘭泄漏原因分析

針對該設備管箱法蘭的泄漏問題，本文對管箱法蘭泄漏的原因進行分析。

3.1 設計方面

影響法蘭連接密封的因素，與法蘭及墊片、螺柱螺母的設計選用是否合理有關。因此，首先應對該設備管箱法蘭、墊片和螺栓的設計進行復核。根據原設備圖，管箱法蘭設計按壓力容器標準法蘭(JB/T 4703-2000，法蘭FM 800-6.4)，法蘭材質為16Mn鍛件，螺栓材質為35CrMoA，墊片為柔性石墨纏繞墊片，設備管程設計壓力為 4.1 MPa，設設計溫度為 380 ℃。根據原設備的設計壓力、設計溫度等參數，對該設備原設計的管箱法蘭及其墊片螺栓，按JB/T4703-2000壓力容器法蘭的規定進行復核。按壓力容器標準法蘭選用要求，法蘭選用的壓力等級在設計溫度下相應材料的最大允許工作壓力應大于其使用條件的設計壓力要求。根據原設備管箱法蘭的材質16Mn鍛件及其壓力等級 6.4 MPa，經查標準得知，在設計溫度下該設備法蘭的最大允許工作壓力為 5.04 MPa，大于其工作條件下的設計壓力 4.1 MPa，說明該容器法蘭按標準選用是滿足標準要求的。此外，根據壓力容器法蘭標準中法蘭、墊片及螺柱螺母材料匹配選用表，對原設計選用的螺柱及墊片進行復核，原設計螺柱材質選用35CrMoA、墊片選用材質柔性石墨纏繞墊片滿足標準要求。由此說明原設備管箱法蘭及其墊片螺柱螺母設計均滿足JB/T 4703-2000壓力容器法蘭標準要求的。

3.2 操作溫差影響

雖然原設備設計時容器法蘭及其墊片、螺柱、螺母的設計均滿足相應標準的要求，然而由于法蘭設計標準計算的理論力學模型是按照密封面上的壓緊力沿法蘭圓周周向均布載荷考慮的，沒有考慮法蘭圓周周向載荷分布不均的影響，以及存在較大溫差情況。該設備管箱結構為帶分程隔板的雙管程結構，且兩管程之間溫差較大，達 146 ℃(進口側溫度為 170 ℃，出口側溫度為 316 ℃)，且由于管箱隔板的存在，導致管箱隔板兩側溫度不同產生較大的溫差。此溫差的存在使得溫度較低的一側管箱變形較小，溫度較高的一側管箱變形較大，從而引起管箱法蘭密封面的變形翹曲；同時溫差載荷的存在使得螺栓在整個圓周方向沿軸向的熱膨脹被拉伸變形不一致，引起墊片上的螺栓壓緊力沿圓周向分布不均勻；再加上介質壓力作用，使法蘭及管板密封面之間發生分離，最終由于墊片上殘余壓緊力沿周向分布極不均勻，局部的殘余壓應力小于工作密封比壓，即密封面與墊片之間存在局部壓緊力不足而引起管箱法蘭密封面的泄漏。

3.3 管箱結構

對帶分程隔板的管箱法蘭來說，由于隔板的存在，使得隔板處管箱法蘭局部剛度變大，法蘭隔板附近變形小于遠離隔板處，在內壓作用下，墊片上的壓緊力沿圓周的分布以隔板中面對稱分布，隔板附近密封面上墊片的壓緊力小于其他遠離隔板垂直面處而不利于法蘭密封[3]。此外，在管箱隔板兩側溫差較小時，隔板兩側密封面變形的差異較小不影響法蘭的密封，而在溫差較大時，在溫差與隔板存在的共同影響下，在靠近分程隔板處因溫度梯度突變將存在兩個對稱的墊片殘余比壓明顯較低的區域，其最低值位于兩螺柱之間，此區域較易發生法蘭密封面泄漏。

4 改進措施

根據上述分析結果，提出相應改進措施。

1)對管箱法蘭及管板密封面進行機加工修復處理，消除密封面因翹曲變形引起的不平整及其他影響密封的缺陷；其次使管箱法蘭的隔板密封面低于法蘭密封面 0.5 mm，使之與法蘭密封面不處于同一平面內，以減小隔板對法蘭密封的影響。這樣既可免于使螺栓載荷損耗在此墊片上，又不會對隔板密封面的內漏產生大的影響。

2)對于溫差較高且帶分層隔板的管箱法蘭連接密封，設計時在滿足法蘭剛度和螺栓間距及所需螺栓截面積的情況下，應盡量采取適當增加螺栓數量的方法，來保證墊片上的壓應力沿圓周方向均勻分布，使兩螺栓中間的墊片壓緊力與螺柱位置的壓緊力盡可能均勻，以避免法蘭圓周方向兩螺柱之間發生泄漏。

3)參考金屬齒型復合墊片在其它化工裝置高溫高壓場合的應用經驗，采用化工設備計算軟件SW6對管箱法蘭密封墊片改為柔性石墨金屬齒形復合墊片進行校核計算。其核算結果滿足工況要求，因而將原設備設計的金屬纏繞墊片改為金屬齒形復合墊片。將原設計墊片改為金屬齒形復合墊片，一方面可利用金屬齒形復合墊片的金屬整體結構及壓縮回彈性能較好優點，避免了金屬纏繞墊片在安裝使用中容易因螺栓壓力過大導致墊片被壓潰、散架的缺點；另一方面對于已投入實際運行的設備，采用壓縮回彈性能較好的柔性石墨金屬齒型復合墊片代替原金屬纏繞墊片，是一種簡單易行、經濟合理的解決方案。

4)進行必要的熱緊。根據該管箱法蘭操作溫度高且溫差大的特點，參考GB 50461-2008《石油化工靜設備安裝工程施工質量驗收規范》規定，在設計壓力≤6 MPa，操作溫度250～350 ℃ 范圍時，應在最大內壓力 0.3 MPa 下，達到操作溫度 24 h 后進行熱態緊固要求，因此對該管箱法蘭螺栓提出進行熱態緊固處理。

5)針對該設備管箱結構因隔板的存在及較大操作溫差，導致法蘭密封面變形以及墊片上要求殘余壓緊力沿周向分布不均勻的問題，若采取上述改進措施后法蘭泄漏的處理效果仍不理想，可將原設計螺柱采取增加彈性元件改為帶碟簧墊圈螺柱的措施，利用彈性墊圈優異的回彈性能來補償因溫差、壓力引起的密封面分離及隔板存在導致的密封系統壓應力松弛的影響，使墊片維持足夠的工作比壓，解決墊片殘余應力下降造成法蘭泄漏的問題。

對上述改進措施進行分析可知，增加螺栓數量的改進措施對新設計或重新設計的設備可行，但對已投入實際運行的設備來說需要重新設計更換新設備顯得不經濟，這是采取其它改進措施無效的情況下才會考慮的方案。而將螺柱改為帶碟簧墊圈螺柱的改進措施，因增加碟簧墊圈后需配置配套的螺柱，因而不是首先考慮應采取的改進措施。根據該設備的現有實際情況，以及對設備改動投入較少的思路，公司與業主方相關人員綜合考慮決定對該設備管箱法蘭密封泄漏的改進處理措施分兩階段實施：

第一階段，首先對密封面進行機加工修復處理，消除密封面的翹曲和壓痕等影響密封可靠性的缺陷；其次將原纏繞墊片更換為新設計的柔性石墨金屬齒形復合墊片，再次在設備開車前對該設備的管箱法蘭采取熱態緊固處理措施。

第二階段，若按上述要求實施改進措施后效果不好的情況下，再將法蘭螺栓改為帶碟簧墊圈的螺柱，以彈性元件的回彈性來補償因法蘭和墊片之間松弛，使墊片維持足夠的工作比壓，解決法蘭密封泄漏的問題。

改進方案經公司及業主方確認后，按第一階段要求實施處理后運行至今，期間經歷了裝置開停車檢驗，該設備管箱法蘭密封未發現過泄漏。經運行實踐驗證按第一階段的改進措施實施效果良好，經采取改進處理措施后達到了預期效果，同時第二階段改進措施就沒有實施的必要，從而解決了困擾公司生產裝置運行的難題。

5 結束語

壓力容器標準法蘭設計計算采用的理論力學模型是按照密封面上的壓緊力沿法蘭周向均勻分布載荷考慮的，本文中類似換熱器管箱法蘭密封系統的實際受力狀態與壓力容器標準法蘭設計計算的理論力學模型是有差異的。壓力容器標準法蘭設計時沒有考慮法蘭沿圓周溫度分布存在梯度以及隔板槽存在的特殊情況影響，在實際工程設計中遇到此類設計問題時，仍然按常規法蘭設計方法來處理是不恰當的，應充分考慮設備的操作工況及具體結構特點，深入分析設備結構受力狀態，必要時對此類法蘭設計應通過應力分析計算，以便采取一個合理的解決方案，才能保證設備的運行可靠性，避免設備投用后給生產裝置的運行帶來故障和安全隱患。