二氧化碳汽提塔螺纹法兰用透镜垫泄漏原因分析

张　波

（克拉玛依市恒和设备维修技术服务有限责任公司，新疆 克拉玛依 833699）



二氧化碳汽提塔螺纹法兰用透镜垫泄漏原因分析

张波

（克拉玛依市恒和设备维修技术服务有限责任公司，新疆 克拉玛依 833699）

摘 要：透镜垫比压力不足是产生泄漏的根本原因。精确计算了法兰螺栓的紧固力矩，并针对传统紧固方式存在的问题将螺栓改进为液压拉伸型。

关键词：透镜垫；比压力；螺栓紧固；泄漏

一、密封机理介绍

某化肥厂70×104t/a尿素装置汽提塔在装置首次开工时，上、下封头与管道连接的螺纹法兰密封元件透镜垫均出现了不同程度的泄漏，影响装置开工。

造成泄漏的根本原因是由于接触面上存在间隙，而接触面两侧的压力差、浓度差则是泄漏的推动力。由于密封面的形式及加工精度等因素的影响，密封面上存在间隙在所难免，这就会造成密封面不完全吻合，从而发生泄漏。要减少泄漏，就必需使密封面最大程度地嵌合，即减小泄漏通道的截面积、增加泄漏阻力，并使之大于泄漏推动力。对密封面施加压紧载荷，以产生压紧应力，可提高密封面的接触程度，当应力增大到足以引起表面产生明显的塑性变形时，就可填补密封面的间隙，堵塞泄漏通道。

汽提塔封头管口与管道管口均采用140°锥角（见图1），法兰与管口通过螺纹旋合，故称之为螺纹法兰。管口间加设的形如凸透镜的垫子，称之为透镜垫。透镜垫上下两工作面均为球面。使用透镜垫的目的就是利用其在螺纹法兰不断增大的压紧载荷的作用下，透镜垫产生的变形由弹性变为塑性，密封处随之由最初的环线接触变为环带接触，最终填平锥形管口密封面的微小凹凸不平，从而实现密封。

图1　螺纹法兰—透镜垫安装示意图

二、泄漏原因分析

垫片压紧应力不足、法兰密封面粗糙、管道的热变形、机械变形及振动等都会造成垫片与密封面之间贴合不严密，从而发生泄漏。此外，螺栓—法兰连接在操作工况下，由于温度、压力的作用，螺栓变形伸长，垫片蠕变松弛、回弹能力下降、垫片的变形等都会造成垫片与法兰密封面之间的泄漏。

采用榔头敲击再次加大紧固力矩；研磨管口提高锥形密封面粗糙度；数控车削透镜垫提高表面粗糙度，消除表面塑性变形和热变形的方法不能完全消除泄漏。

螺栓的紧固力矩（透镜垫压紧应力）不足是导致透镜垫产生泄漏的根本原因。螺栓的数量、拧紧螺栓的力矩、螺栓系统的摩擦状态和透镜垫的压缩面积决定了压紧应力的大小。

三、螺栓紧固力矩计算

螺栓紧固力矩不够，透镜垫压紧应力不足；螺栓

紧固力矩过大，螺杆则有可能达到屈服极限，产生塑性变形。若达到强度极限，产生缩颈等被破坏现象，透镜垫亦有被压溃的可能。

故此，应将透镜垫的螺栓紧固力矩做精确计算，以下封头垫DN200为例：

《钢制化工容器强度计算规定》HG/T20582-2011就透镜垫的螺栓载荷给予了明确公式。

式中：WP——设计工况下螺栓所需最小载荷，N；

P——设计压力，MPa；

dk——透镜垫接触圆直径，218.9mm；

Et——在设计温度下透镜垫材料的弹性模量，

MPa；

α——圆锥形面的母线与其中心线间的夹角，

70°；

ρ——摩擦角，等于8 °30＇；

β——余角，β=90°- α=20°。

按实际操作时温度（165℃）查询，Et=193000MPa；按实际操作压力（14.5MPa）计算出螺栓所需的最小载荷Wmin=2.36×106N；按设计操作压力（16.6MPa）计算出螺栓所需的最大载荷Wmax=2.43×106N。

根据公式2、3可得单个螺栓（M42×4.5）的必须最小载荷和紧固时的扭转力矩。

Famin=Wmin/n （2）

Tmin=0.14Famind （3）

式中：Famin——单个螺栓必须最小载荷，N；

n——螺栓数量，件；

T——螺栓扭矩，N・M ；

d——螺栓直径，mm；

0.14——螺栓摩擦良好下的系数。

将n=12，d=42等数据代入，得Famin=196666N；Tmin=1156N・M

同理：Famax=202593N；Tmax=1191N・M 。

四、螺栓强度校核

传统紧固方式下的螺栓承受轴向应力和扭转应力的合应力，合应力的校核按公式4、5计算式中：dc——螺栓有效直径，37.78mm；

[σ]——螺栓（35CrMo）的许用屈服应力；

σs——螺栓的屈服极限：

s——螺栓的安全系数。

将σs=600MPa，smax=1.5代入式内，合应力σe按最大值校核

得σe=237MPa＜[σ]=400MPa

故：螺栓在扭矩为Tmax=1191N・M 是安全的。

五、实施效果

在汽提塔、合成塔等封头管道透镜垫的历次安装中，使螺栓的紧固力矩达到要求的情况下，透镜垫均没有发生泄漏。说明螺栓的紧固力矩不足是透镜垫发生泄漏的主要原因。

六、螺栓改型

大量的生产实践证明，对于规格≥M42mm、材质为35CrMo的螺栓通过榔头敲击的紧固方式很难达到要求的力矩。而液压扭矩扳手受制于法兰、管径尺寸及操作空间的限制，使用极为不便。汽提塔体与封头的连接的螺栓M64×4采用液压拉伸的方式，4个螺栓同时对称操作。采用此方法不仅便捷，关键在于对螺栓预紧力的精确控制。

为了借用封头螺栓的液压拉伸器，将螺栓改型为如下结构（图2）。

图2　螺纹法兰螺栓改型示意图

手掀式液压驱动油泵油压计算：

P=Famin/A （6）

液压拉伸器上活塞截面积A=11996mm2，经公式6计算得油泵油压P=16.3MPa。

七、结语

1.对于尺寸较大（≥DN150）的透镜垫，应使用液压扭矩扳手或液压拉伸器，严格控制力矩或油压。在力矩或油压不明确的情况下，操作人员应使螺栓的应力接近其屈服极限的90%，即强度极限的70%。

2.对于拆卸频率较高的透镜垫应及时修车表面的塑性变形，必要时做热处理，使表面硬度达到要求。

3.金属垫（透镜垫）法兰在设计时，应考虑螺栓的紧固方式，优先考虑液压拉伸的紧固方式。油压数值明确，方便检修人员操作。

4.使用图2这种只能从一端抽取的异型螺栓紧固时，应涂抹抗咬合剂，防止螺母在高温条件下咬扣，给拆卸带来不变。

参考文献：

[1]法兰用密封垫片使用手册（2005版）[M].

[2]董娅祥译.用透镜垫的高压化工法兰和螺纹短管（1994版）[M].

[3]钢制化工容器强度计算规定.HGT20582-2011[M].

[4]杨柯帧、程光蕴.机械设计基础（第四版）[M].

收稿日期：（2015-12-22）

中图分类号：TQ440.5

文献标识码：B

文章编号：1671-0711（2016）02-0073-03