重整裝置高溫法蘭接頭保溫技術(shù)及工業(yè)應(yīng)用

單寅昊 田華鋒

（中國石化上海石油化工股份有限公司芳烴部，200540）

關(guān)凱書

（華東理工大學(xué)，上海200237）

重整裝置高溫法蘭接頭保溫技術(shù)及工業(yè)應(yīng)用

單寅昊 田華鋒

（中國石化上海石油化工股份有限公司芳烴部，200540）

關(guān)凱書

（華東理工大學(xué)，上海200237）

對比分析了熱態(tài)條件下美國材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）A193 B16和25Cr2MoV這兩種螺栓的抗蠕變性能，考察了不同溫度下金屬－金屬接觸式墊片和纏繞墊片的壓縮回彈性能，設(shè)計(jì)了金屬－金屬接觸式墊片的預(yù)緊方法。采用研究推薦的螺栓、墊片以及螺栓預(yù)緊方法在一套重整裝置上進(jìn)行了工業(yè)應(yīng)用試驗(yàn)。結(jié)果表明：在重整裝置工況條件下，重整反應(yīng)部分高溫法蘭連接系統(tǒng)經(jīng)過一年的保溫運(yùn)行，未發(fā)生泄漏現(xiàn)象，節(jié)能減排效果明顯。

重整 高溫法蘭 螺栓 墊片 預(yù)緊方法 節(jié)能

催化重整是煉油和石油化工的一種重要工藝，除生產(chǎn)高辛烷值汽油和芳烴外，還副產(chǎn)大量的氫氣。重整反應(yīng)是強(qiáng)吸熱反應(yīng)，其能耗較大，約占整套裝置的46.44%［1］，主要體現(xiàn)在加熱爐的燃料消耗上，因此降低重整加熱爐能耗是有效降低重整裝置能耗的關(guān)鍵。

螺栓的法蘭連接是一種常用于壓力容器、壓力管道和閥門上可拆卸的密封連接結(jié)構(gòu)。重整裝置部分設(shè)備和管道長期處于高溫下運(yùn)行，高溫不僅會(huì)引起密封墊片的老化和蠕變松弛而使其回彈性能下降［2］，還會(huì)導(dǎo)致螺栓和法蘭的蠕變。在操作條件變化時(shí)，高溫使密封墊片上的工作密封比壓逐步降低。同時(shí)，在升溫、保溫及降溫過程中，常溫下的預(yù)緊狀態(tài)也會(huì)發(fā)生變化并最終導(dǎo)致法蘭連接系統(tǒng)的泄漏失效。為防止法蘭連接系統(tǒng)發(fā)生泄漏引發(fā)安全事故，重整裝置高溫法蘭接頭一般不進(jìn)行保溫處理，但是，高溫法蘭不采取保溫措施會(huì)導(dǎo)致熱量流失，浪費(fèi)大量的能源。在能源日趨緊張的情況下，如何兼顧節(jié)約能源和保障運(yùn)行安全，對重整裝置高溫法蘭接頭進(jìn)行保溫是未來必須解決的問題。

文章對高溫部位法蘭接頭保溫可靠性進(jìn)行了研究，對螺栓、密封墊片等法蘭組件在相關(guān)工況下的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了分析，提出了重整裝置高溫部位法蘭組件的改進(jìn)方案。以研究結(jié)果為基礎(chǔ)，通過選擇合適的材料以及螺栓的預(yù)緊方法，在中國石化上海石油化工股份有限公司（以下簡稱上海石化）芳烴部一套連續(xù)重整裝置上進(jìn)行了高溫法蘭保溫的工業(yè)應(yīng)用試驗(yàn)。

1 高溫法蘭接頭的保溫研究

關(guān)于高溫法蘭接頭的保溫研究尚不多見，但關(guān)于高溫法蘭的泄漏有一定的報(bào)導(dǎo)［3－5］。法蘭接頭保溫后，法蘭組件的工作溫度升高，隨著服役周期的延長，會(huì)帶來螺栓、法蘭及墊片的高溫蠕變和松弛問題，使密封元件的回彈能力下降，從而引起墊片工作密封比壓的顯著降低，導(dǎo)致法蘭系統(tǒng)的泄漏失效。

1.1 螺栓材料的選擇

蠕變是指在載荷不變的情況下，應(yīng)變隨著時(shí)間的延長緩慢增加的現(xiàn)象。法蘭接頭保溫后螺栓和法蘭的溫度都會(huì)提高，法蘭會(huì)蠕變伸長，導(dǎo)致法蘭接頭松弛進(jìn)而產(chǎn)生泄漏，為此需要選擇抗蠕變性能較好的螺栓。

上海石化芳烴部一套連續(xù)重置裝置法蘭接原采用25Cr2MoV螺栓，這種螺栓的抗蠕變性能較差。查閱國內(nèi)外螺栓的標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)美國材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）A193 B16螺栓可以在設(shè)計(jì)溫度550℃以上使用。因此以550℃為試驗(yàn)條件，對A193 B16以及25Cr2MoVA螺栓分別進(jìn)行蠕變實(shí)驗(yàn)研究，對比分析二者的抗蠕變性能。

工程上材料的抗蠕變性能通常可以Norton方程表示［6］：

式中，ε.min為蠕變第二階段的蠕變應(yīng)變速率，σ為材料的加載應(yīng)力，B、n是與溫度有關(guān)的常數(shù)。

對材料在同一溫度（550℃）分別進(jìn)行不同應(yīng)力下的蠕變實(shí)驗(yàn)，獲得不同載荷下的應(yīng)變隨時(shí)間變化的函數(shù)關(guān)系，通過對各應(yīng)力水平的蠕變時(shí)間曲線對時(shí)間求導(dǎo)數(shù)，得到不同應(yīng)力下的蠕變速率。將應(yīng)力－蠕變速率分別代入Norton方程，得到Norton方程中的常數(shù)項(xiàng)B和n，獲得Norton方程。

熱態(tài)條件下25Cr2MoV、A193 B16材料的蠕變Norton方程分別為：

25Cr2MoV：ε.＝4.07×10－15σ4·29

A193 B16：ε.＝1.26×10－17σ5·278

在上述方程中，ε.為穩(wěn)定階段的應(yīng)變速率，σ為螺栓的應(yīng)力。

圖1為兩種材料的應(yīng)變速率－應(yīng)力曲線。

圖1 兩種材料的蠕變Norton方程的單對數(shù)坐標(biāo)曲線

由圖1可知：在相同應(yīng)力水平下，A193 B16材料的蠕變速率低，說明蠕變變形比25Cr2MoV的小。A193 B16螺栓的抗蠕變性能優(yōu)于25Cr2MoV，使用A193 B16螺栓可以使保溫后的螺栓具有更好的抗蠕變松弛能力。

1.2 墊片材料的選擇

螺栓的法蘭連接中，墊片是重要的密封元件，其性能直接影響到密封的可靠性。上海石化芳烴部一套連續(xù)重置裝置法蘭連接采用了纏繞墊片（SWG），該墊片壓縮回彈性能差，導(dǎo)致法蘭接頭保溫后發(fā)生了墊片接觸力下降而發(fā)生泄漏現(xiàn)象。受核電墊片的啟發(fā)，采用壓縮回彈性能更好的金屬－金屬接觸式墊片（MMC）和纏繞墊片進(jìn)行不同溫度的壓縮回彈對比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 金屬SWG／MMC墊片的壓縮回彈性能曲線

從圖2中可以看出：隨著溫度的升高，纏繞墊片的壓縮回彈曲線向右移動(dòng)，說明溫度對纏繞墊片的壓縮回彈特性的影響較明顯。在相同的壓緊應(yīng)力下，隨著溫度的升高，墊片的壓縮曲線逐漸變緩，回彈曲線的斜率逐漸變陡，說明隨著溫度增加，纏繞墊片變軟，且回彈性減小。纏繞墊片和MMC墊片的壓縮回彈性能相差很大，MMC墊片的最大壓縮比約0.25，而纏繞墊片的最大壓縮比約0.15。從壓縮曲線看，MMC墊片的壓縮曲線比纏繞墊片的壓縮曲線平緩，說明MMC墊片的壓縮變形比較穩(wěn)定，產(chǎn)生的壓縮量比較大；從回彈曲線看，MMC墊片的回彈曲線比纏繞墊片的回彈曲線平緩，說明MMC墊片的回彈量大，具有較好的回彈性能。

1.3 螺栓預(yù)緊方法的研究

螺栓法蘭連接中，由于不能對所有螺栓同時(shí)加載，因此預(yù)緊要有一定的先后順序。后續(xù)加載的螺栓在夾緊法蘭面的時(shí)候會(huì)影響前面加載的螺栓，造成之前預(yù)緊的螺栓載荷下降［7－10］，使得墊片周向上受力不均，這是導(dǎo)致法蘭保溫后泄漏的重要原因。采用正確的預(yù)緊順序和預(yù)緊次數(shù)對保證法蘭接頭保溫后的可靠性十分重要。美國機(jī)械工程師協(xié)會(huì)（ASME）于2000年首次發(fā)布了ASME PCC－1《壓力邊界螺栓法蘭連接安裝指南》，2010年又發(fā)布了修訂版。該標(biāo)準(zhǔn)推薦了多種預(yù)緊方法，但預(yù)緊方法繁瑣，現(xiàn)場安裝不容易控制，同時(shí)該方法不是針對MMC墊片而設(shè)計(jì)。在該標(biāo)準(zhǔn)推薦方法的基礎(chǔ)上，重新設(shè)計(jì)了適合MMC墊片的預(yù)緊方法，該方法效率更高，更容易實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場安裝，以16根螺栓的法蘭為例：

第一輪：依照1－9－5－13次序依次對螺栓加載50%～70%的目標(biāo)扭矩；

第二輪：依照1－2－3－4－5－6－7－8－9－10－11－12－13－14－15－16次序依次對螺栓加載100%的目標(biāo)扭矩；

第三輪：重復(fù)第二輪；

第四輪：重復(fù)第二輪。

為驗(yàn)證螺栓預(yù)緊方法的可靠性，通過搭建一套公稱壓力0.5 MPa、公稱直徑300 mm的法蘭實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)中使用XL2101G60靜態(tài)電阻應(yīng)變儀以及BX120－3AA應(yīng)變片采集螺栓應(yīng)變值。靜態(tài)應(yīng)變儀能夠同時(shí)測量60個(gè)通道的應(yīng)變值，并且能動(dòng)態(tài)跟蹤單一通道的應(yīng)變值的變化。實(shí)驗(yàn)中采用四分之一橋自補(bǔ)償平衡電橋法，在螺栓中部對稱的兩側(cè)沿軸線方向粘貼兩個(gè)應(yīng)變片，再粘貼上接線端子，焊接上導(dǎo)線，將其接入應(yīng)變儀中，其中選擇一根螺栓放在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，保持不受力狀態(tài)，貼上應(yīng)變片作為補(bǔ)償與每根螺栓形成平衡電橋。

由MMC墊片廠家提供螺栓擰緊力為44 kN，這個(gè)力作為幾種加載順序的目標(biāo)螺栓力。按照上述預(yù)緊方法對螺栓進(jìn)行加載，將XL2101G60所測的每根螺栓的兩片應(yīng)變片值取均值后，得到螺栓的實(shí)際測量應(yīng)變，將結(jié)果整理成各個(gè)螺栓力變化圖（圖3）。

圖3 法蘭實(shí)驗(yàn)優(yōu)化擰緊順序方法的螺栓力變化

由圖3可知：第一輪對4根處于對角的螺栓進(jìn)行加載，然后采用100%的目標(biāo)載荷對法蘭螺栓順序加載，加載到第四輪，螺栓力全部達(dá)到目標(biāo)預(yù)緊力的95%以上，說明達(dá)到螺栓力分布均勻，第五輪加載沒有必要進(jìn)行。

上述預(yù)緊方法更適合化工裝置現(xiàn)場操作，操作人員既不需要對螺栓進(jìn)行編號，也不需要為了多次擰緊對角螺栓而繞法蘭走動(dòng)，可提高工作效率。

2 高溫法蘭保溫工業(yè)應(yīng)用試驗(yàn)

基于上述研究，采用推薦的螺栓和墊片材料以及螺栓的預(yù)緊方法，在2012年10月開車的上海石化芳烴部3＃重整裝置上進(jìn)行了工業(yè)應(yīng)用試驗(yàn)。從2013年5月開始，逐步對3＃連續(xù)重整裝置的集合管盲法蘭和轉(zhuǎn)油線法蘭接頭實(shí)施了保溫處理。

2.1 法蘭接頭的現(xiàn)場安裝

為保證法蘭接頭的密封性能，必須采用正確的方法對法蘭接頭進(jìn)行安裝，其中法蘭接頭安裝前的找正是保證法蘭密封的關(guān)鍵。法蘭接頭安裝前需要進(jìn)行找正，這樣可以保證法蘭和墊片最大限度的接觸，使墊片載荷均勻，提高螺栓預(yù)緊效率。ASME給出了法蘭現(xiàn)場找正的指南，安裝時(shí)參照該標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

法蘭接頭安裝過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)是螺栓預(yù)緊載荷的確定和螺栓的預(yù)緊順序。螺栓的預(yù)緊載荷是由墊片的性質(zhì)決定的，就是在法蘭和墊片的石墨密封面接觸后繼續(xù)施加載荷，額外的載荷施加到墊片外環(huán)的金屬上使法蘭面和墊片外金屬環(huán)接觸（因此成為金屬－金屬接觸型墊片）并保持一定的載荷，為此墊片供應(yīng)商提供了最低的螺栓載荷預(yù)緊力。因此現(xiàn)場的螺栓預(yù)緊力由墊片供應(yīng)商提供，螺栓的預(yù)緊順序按1.3的預(yù)緊方法執(zhí)行。

2.2 法蘭接頭的保溫措施

為了預(yù)防保溫后高溫介質(zhì)發(fā)生泄漏，設(shè)計(jì)了特殊的保溫結(jié)構(gòu)，具體如圖4所示。通過在兩片法蘭間增加一個(gè)密封環(huán)帶及進(jìn)、排氣口對從墊片處滲漏出的介質(zhì)進(jìn)行排出。

圖4 法蘭保溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.3 節(jié)能效果

截至2014年5月，高溫法蘭連接系統(tǒng)經(jīng)過保溫處理后運(yùn)行了一年，未發(fā)生泄漏現(xiàn)象。經(jīng)檢測，不保溫條件下，3＃重整裝置集合管盲法蘭外表面溫度約為400℃；保溫后，盲法蘭保溫層外的溫度下降到60℃。

重整反應(yīng)為強(qiáng)吸熱反應(yīng)，反應(yīng)部分的能耗主要為燃料消耗。燃料消耗量與重整裝置負(fù)荷、重整原料的環(huán)烷烴含量、重整汽油辛烷值以及反應(yīng)溫度相關(guān)。2013年3—7月，重整裝置運(yùn)行平穩(wěn)，負(fù)荷相對穩(wěn)定，原料變化較小，原料中環(huán)烷烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為22.6%，反應(yīng)溫度控制在516℃左右，重整汽油研究法辛烷值約為98左右，因此選擇3—7月的數(shù)據(jù)作為效益測算依據(jù)。表1為整理的工況條件數(shù)據(jù)及四合一爐的燃料氣用量變化情況。

表1 3—7月重整裝置工況及反應(yīng)爐燃料氣用量

由表1可見：與2013年3、4月重整裝置法蘭接頭不保溫期間相比，5—7月保溫后燃料氣消耗平均降低了1.08 m3／t。按設(shè)計(jì)負(fù)荷1 Mt／a計(jì)算，每年可節(jié)約燃料氣用量約1.08×106m3，即可節(jié)約天然氣769 t，按照2013年12月財(cái)務(wù)價(jià)格計(jì)算，全年可增效291萬元。因此對高溫部位進(jìn)行保溫，不但可實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，還可以消除人員燙傷的安全隱患。

3 結(jié)論

（1）A193 B16螺栓的抗蠕變性能優(yōu)于25Cr2MoV，使用A193 B16螺栓可以使保溫后的螺栓具有更好的抗蠕變松弛能力；與纏繞墊片相比，金屬與金屬接觸型墊片的回彈量大，具有較好的回彈性能。選用A193 B16螺栓和金屬與金屬接觸型墊片，可保證法蘭接頭保溫后的墊片壓力。

（2）對螺栓的預(yù)緊方法進(jìn)行試驗(yàn)研究，確定了最優(yōu)的預(yù)緊方法，可保證法蘭上所有螺栓受力均勻。

（3）對法蘭接頭保溫方法進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，通過加裝通風(fēng)和泄漏排放接管，一旦發(fā)生泄漏可以及時(shí)排到大氣中，避免高溫油氣在保溫層內(nèi)的積聚。

（4）采用推薦的螺栓和墊片以及螺栓預(yù)緊方法的工業(yè)應(yīng)用試驗(yàn)結(jié)果表明：在重整裝置工況條件下，重整反應(yīng)部分高溫法蘭連接系統(tǒng)經(jīng)過保溫處理后運(yùn)行了一年，未發(fā)生泄漏現(xiàn)象。重整裝置高溫法蘭保溫后每年可節(jié)約天然氣約769 t，年增效291萬元。

［1］ 徐承恩.催化重整工藝與工程［M］.北京：中國石化出版社，2006：874－882.

［2］ 陸曉峰，涂善東.高溫螺栓法蘭連接研究進(jìn)展［J］.壓力容器，2004，21（12）：34－41.

［3］ 范淑玲，章蘭珠，林劍紅，等.金屬與金屬接觸型石墨密封墊片高溫力學(xué)性能的試驗(yàn)研究［J］.壓力容器，2013，30（4）：1－7.

［4］ 勵(lì)行根，勵(lì)勇，勵(lì)潔，等.核電站石墨密封墊片的實(shí)驗(yàn)研究［J］.液壓氣動(dòng)與密封，2010（11）：29－32.

［5］ 顧伯勤，陸曉峰.墊片的高溫性能試驗(yàn)裝置及測漏方法研究［J］.石油機(jī)械，1997，27（1）：39－41.

［6］ Hyde TH，Sun W，Williams JA.Prediction of creep failure life of internally pressurized thick walled Cr Mo V pipes［J］. International Journal of Pressure Vessels and Piping，1999（76）：925－933.

［7］ 蔡仁良.靜密封技術(shù)發(fā)展新趨勢［J］.壓力容器，1996，13（2）：69－77.

［8］ 蔡仁良.壓力容器螺栓法蘭連接規(guī)范設(shè)計(jì)新方法［J］.壓力容器，1997，14（5）：41－48.

［9］ Bouzid，A.Chaaban，A.An Accurate Method of Evaluting Relaxation in Bolted Flanged Connections［J］.Pressure Vessel Technology，1997，119（2）：10－17.

［10］ Bibel，G.Ezell，R.An improved Flange Bolt－up Procedure Using Experimentally Determined Elastic Interaction Coefficient［J］.ASME J.Pressure Vessel Technol，1992（114）：439－443.

Heat Preservation Technology for High－pressure Flange Joints of Reform ing Plant and its Industrial Application

Shan Yinhao，Tian Huafeng
（Aromatics Division，SINOPEC Shanghai Petrochemical Co．，Ltd．200540）
Guan Kaishu
（East China University of Science and Technology，Shanghai200237）

The creep resistance of two kinds of bolts ASTM A193 B16 and 25Cr2MoV under thermal condition was compared and analyzed.The compressure－resilience performance ofmetal－metal contact gaskets and spiral wound gasket under different temperature was studied.The pre－stress method for metal－metal contact gaskets was designed.The industrial application experiment was made in a reforming plant with the recommended bolts，gaskets and pre－stress method.Result showed that under the operation conditions of reforming plant，no leakage occurred in the high－pressure flange connecting system of reforming reaction part after one－year operation of heat preservation，which had remarkable effectiveness of energy conservation and emission reduction.

reformation，high－pressure flange，bolt，gasket，pre－stressmethod，energy conservation

1674－1099 （2014）06－0041－05

TQ055.8

A

2014－11－14。

單寅昊，男，1983出生，2005年畢業(yè)于華東理工大學(xué)化學(xué)工程與工藝專業(yè)，工程師，主要從事工藝、生產(chǎn)管理工作。