浅析石化装置蒸汽法兰密封安全技术

王剑虹，李 永，杜佳庆

（中国石油公司吉林石化公司乙烯厂，吉林吉林 132021）

0 引言

蒸汽法兰密封是炼化、石化装置整重化学工业中常用的静密封。常用静密封有垫片密封、无垫球面密封和胶剂密封。以蒸汽法兰垫片密封为例,对法兰密封泄漏的几种情况,如垫片的综合密封性能和法兰密封面型式、法兰的机械性能和安装情况、法兰安装标准、螺栓紧固力的大小、法兰接管的支撑等影响因素进行分析。

法兰螺栓接头密封结构简单可靠，在石化装置蒸汽系统的应用较为广泛，同时在石化装置静密封中的应用比例＞95%。由于蒸汽系统温度和压力较高，静密封失效数量最多。从法兰螺栓接头的材料、失效因素以及紧固力控制等方面进行分析，采取相应措施，以降低蒸汽法兰失效数量。

1 法兰螺栓接头

法兰螺栓接头由法兰、螺栓、垫片3 部分组成，各部分的重要性均等。一个可靠的法兰螺栓接头需要各部分共同稳定协调实现。在现场使用中，法兰垫片螺栓各部分均出现过一些问题。

1.1 法兰

法兰材料根据介质的化学和物理性质选择，此外，高压蒸汽法兰设计时还需满足GB/T 150—1998。在石化装置的检维修及安装中,配对法兰的平行度、同轴度是蒸汽法兰密封效果的重要影响因素。配对法兰的错口（同轴度）最好低于法兰外直径的千分之一,同时需要＜2 mm,不能采用法兰配对设备强制降低法兰错口,不能采用螺栓强行降低。配对法兰安装完成后，所有螺栓均应能自由出入，不得有应力。配对法兰平行度≤1.5%,与旋转机械连接的法兰，平行度和同轴度应符合相关规定。

由于平焊法兰刚度较差，在低压蒸汽系统中，可以采用平焊法兰。对焊法兰刚度较好，可以应用于中低压蒸汽系统，但需要蒸汽系统工况较为稳定。在石化装置管道中采用较多的是对焊法兰，在压力容器和压力管道法兰中一般采用带颈对焊法兰。在平行度和同轴度较难满足的低压蒸汽系统中，采用活套法兰也是一种理想选择。

法兰密封面有5 种形式，按照应用场合压力等级，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决定。平面法兰密封面大,螺栓预紧力难以达到足够大,当压力较高时垫片容易被吹掉而产生泄漏,密封面表面粗糙度（6.3～12.5）μm，多在压力不高的情况下使用；凸面法兰又称光滑面法兰，多用于中低压、无毒、不易燃、不易爆介质的管道；凹凸面法兰多用于易燃、易爆有毒介质管道；剧毒介质采用榫槽面；高压管道通常采用梯形槽密封面。一般情况下，蒸汽压力越高，温度越高，法兰密封面的粗糙度越小。

1.2 垫片

垫片的综合性能直接关系到密封是否安全可靠，其主要由比压力y 和垫片系数m 两个参数决定。蒸汽管道法兰螺栓接头垫片应根据密封性能、压力、稳定性等进行选择。高温高压蒸汽介质，采用金属垫片比较合理；低压低温蒸汽、中压低温蒸汽等工况选用费用较低、加工比较容易的非金属垫片即可；金属和非金属复合垫片，使用于两种工况之间；弹性形变较好的自紧式垫片一般应用于工作较复杂及压力和温度较大的蒸汽系统；橡胶类垫片在压力和温度都不高的真空系统中应用较为广泛。垫片应具有良好的机械性能和化学性能，不随工况的变化而变化，且不与介质发生反应。在压力较低的情况下用薄垫片,高温高压时采用较厚的垫片。在条件允许的情况下,使用过的垫片均不建议再次使用，无论是金属还是非金属垫片。缠绕垫片在安装之前，施工作业人员必须再次检查确认密封面是否平整、钢带与石墨之间是否压实,密封面不得有影响密封性能的贯穿性伤痕、石墨空隙、凹凸不平及锈蚀等质量缺陷，并且还须有合格证。蒸汽管道不建议采用石棉橡胶板垫片，并且无论金属还是非金属垫片加工制作均匀,密封面应平整无明显凹凸点,更不能有任何其他质量缺陷。安装前还要再次检查垫片的表面质量以及法兰和螺栓的质量，确保法兰螺栓接头安全有效。螺栓接头施加紧固力后，垫片应力与垫片形变的关系见图1。

图1 垫片应力与垫片形变

1.3 螺栓

螺栓是法兰螺栓接头的核心部件，但在现场很容易被忽视。螺栓的机械性能是法兰螺栓接头中螺栓选用的基本原则。另外，不锈钢法兰不得采用碳钢螺栓，容易造成电位腐蚀。

2 紧固

在法兰螺栓接头的安装过程中，不但需要焊接可靠，而且均匀合适的紧固力是实现蒸汽法兰安全可靠密封的重要环节。根据螺栓紧固力和垫片密封应力相关理论，分析和讨论蒸汽法兰螺栓的载荷变化和初始预紧力、密封有效载荷，必须引起现场设备管理人员及相关法兰垫片螺栓接头安装及检修人员的重视，成为蒸汽法兰安全有效密封的重要参考。

法兰螺栓接头仍然是石油化工、天然气化工、精细化工、热电厂等应用最普遍的可拆卸结构之一。由于蒸汽法兰大多应用于相关装置内、装置间、工厂间公用工程、大型蒸汽透平机组以及承压特种设备，泄漏失效情况时有发生。轻则引起设备、装置停车，重则造成人员伤亡等恶性设备事故。影响法兰螺栓接头安全有效密封的因素众多，如法兰机械性能、垫片质量和型式、螺栓应用不正确以及法兰螺栓接头安装检维修的作业空间、施工方法及工具等。其中垫片最低密封紧固力不足和螺栓法兰垫片接头安装不正确是众多失效因素中最常见的2 个原因。法兰螺栓接头形成安全有效密封的本质，是作业人员使用工具通过螺栓紧固力使垫片产生一定的弹性形变，形变可以弥合法兰密封的粗糙点及垫片内部缝隙又不至于把垫片压溃。蒸汽法兰螺栓接头投入使用后，因法兰系统内的压力、工况变换等形成外力作用，抵消一部分初始安装时螺栓的预紧力，抵消后的预紧力仍然大于法兰螺栓安全有效密封的最低压力。因此可以看出，螺栓初始预紧固力的确定，是蒸汽法兰安全密封最关键的控制点。查阅相关资料和现场工作经验发现，80%以上蒸汽法兰失效均由螺栓初始载荷造成的。如螺栓预先施加的紧固载荷选择不合适或没有施加均匀足量且合适的螺栓紧固力。螺栓紧固力的确定如图2 所示。

图2 螺栓紧固力

3 结束语

从蒸汽法兰螺栓接头的3 个主要部件法兰、螺栓、垫片，以及紧固力等方面进行分析，法兰螺栓接头安全密封技术涉及很多方面，不但需要考虑设备自身的问题，还要考虑工艺蒸汽系统的工况。因此针对法兰螺栓接头的失效分析，应综合考虑各种因素，才能保证装置密封安全可靠。