定力矩緊固配合雙金屬自密封波齒墊片在催化裝置中的應用

孫朝輝

（錦西石化分公司重油催化車間，遼寧 葫蘆島 125000）

石油化工裝置中最常用的連接方式是法蘭連接。在日常運行生產過程中因壓力、溫度波動，很容易造成法蘭出現(xiàn)泄漏，如果泄漏發(fā)生在高溫高壓部位，則泄漏還會造成附加危害，如著火、爆炸或者高溫燙傷等。

1 裝置情況介紹

重油催化裝置投產后，中壓蒸汽系統(tǒng)和高溫油漿系統(tǒng)在運行過程中經常出現(xiàn)連接法蘭泄漏的情況。車間通常會對泄漏法蘭進行重新緊固處理，但緊固并不能使法蘭密封性能長時間保持，如果系統(tǒng)出現(xiàn)波動仍會出現(xiàn)泄漏情況。反復緊固后部分螺栓已經超過屈服極限，導致再次拆卸困難，縮短螺栓使用壽命甚至報廢，同時密封墊片也會出現(xiàn)回彈失效，密封性能下降。最終法蘭密封失效，泄漏無法常規(guī)處理，給生產安全帶來很大隱患。分析法蘭泄漏的原因主要包括以下幾方面：

（1）法蘭密封面回裝過程中密封面沒有處理好，存在貫穿性凹痕或者夾雜機械雜質，這樣在投用過程中或者生產運行后不久法蘭就會出現(xiàn)泄漏，這種問題已經引起重視并在檢修過程中加強檢查后，此種原因已較少出現(xiàn)。

（2）密封墊片在安裝過程中或者使用后由于反復擠壓，墊片回彈性降低，密封能力出現(xiàn)下降，甚至部分金屬纏繞墊片會出現(xiàn)崩潰情況，給泄漏處理帶來很大難度。

（3）由于過去法蘭緊固依靠人力緊固施工較多，個體之間存在力量差異，使用工具也各式各樣，無法保證預緊力一致。另一方面預緊力大小也主要憑經驗、靠感覺，為了防止出現(xiàn)泄漏又會出現(xiàn)預緊力過大的情況，導致螺栓超過屈服極限，造成螺栓失效。

在裝置運行的幾個周期過程中，車間也采取了多種措施來應對法蘭密封泄漏。如：將部分易波動中壓蒸汽法蘭密封墊片由纏繞墊片改為波齒復合墊片，減少纏繞鋼帶崩潰帶來的突然泄漏風險；在適合安裝補償墊圈位置加裝補償墊圈，減少壓力波動對螺栓預緊力的影響；檢修過程中重新校對法蘭配合，保證法蘭連接質量等。這些措施取得了一定效果，尤其是裝置運行前期，泄漏情況改善明顯，但是在運行后期，由于波動累積泄漏仍會出現(xiàn)，沒從根本上解決法蘭密封面泄漏的問題。

2 定力矩緊固技術簡介

定力矩緊固是使用液壓拉伸器、液壓扳手等專用工具，通過控制緊固力矩的大小和施工方法的方式，使連接法蘭的螺栓受到可控的、均勻的預緊力或緊固力，從而使該預緊力或緊固力均勻的作用在法蘭密封面上，達到法蘭連接“零泄漏”的效果。

2.1 預緊力、緊固力測算方法

（1）根據墊片、法蘭規(guī)格及密封形式測算緊固扭矩通過查找墊片系數(shù)、比壓力、墊片接觸寬度，計算墊片的基本密封寬度，確定墊片的有效密封寬度、確定墊片壓緊力作用中心圓直徑。再通過上述數(shù)據計算出工作前、工作時法蘭壓緊力，最終確定螺栓的預緊力及緊固扭矩。由于螺栓腐蝕、法蘭接觸面摩擦等影響，根據操作經驗可以給計算結果乘以一定的修正系數(shù)，一般為1.2-1.4。

（2）查表得到螺栓的屈服強度，以60%~65%屈服強度作為緊固扭矩。

由于實際操作環(huán)境比較復雜，第二種方法計算所得數(shù)據在實際應用過程中往往效果不好，所以傾向采用第一種計算方法。

2.2 實際操作要求

技術人員編制完成作業(yè)卡及螺栓緊固指導卡，施工負責人應按照現(xiàn)場使用扳手型號選取對應的液壓扳手表壓。對于有泄漏的管法蘭預緊前，應認真清理法蘭泄漏面殘留油污，用游標卡尺分四個方向進行法蘭間隙測量，做好標記。預緊時首先從法蘭間隙值最大處著手緊固，以期最大限度修正原緊固誤差。緊固完畢后再次同位置測量，將緊固前后測量數(shù)據記錄入螺栓緊固作業(yè)指導卡，并對緊固前后法蘭最大間隙值進行比較。為保證預緊力或緊固力均勻作用在法蘭密封面上，一般采用對角緊固的緊固順序。緊固前給需緊固的連接法蘭上的每個螺栓進行標號，便于緊固過程中對稱進行緊固。法蘭預緊完畢掛牌標示緊固力矩及緊固日期，目的在于方便下次拆卸及安裝螺栓時選定扭矩。

3 雙金屬自密封波齒復合墊片技術簡介

雙金屬自密封波齒復合墊片是由兩片金屬疊合后在其外圓周通過熔焊將兩者融合在一起而形成整體結構的“壓力自密封”金屬骨架，金屬骨架上下表面加工有特殊設計的波齒狀溝槽，金屬結構骨架的外表面貼上適當厚度的柔性石墨材料，最終構成了雙金屬自密封波齒復合墊片。雙金屬自密封波齒復合墊片的典型結構如圖所示。

圖 1 雙金屬自密封波齒復合墊片結構

在操作狀態(tài)下，當壓力介質進入系統(tǒng)后它同時會滲透進入金屬骨架的兩金屬片之間的微觀縫隙。由于金屬骨架上下兩金屬片外圓周邊已被完全緊密地融合在一起，介質不會從此處泄漏出去。進入兩金屬片之間微觀縫隙處的介質壓力作用于兩金屬片的內表面，使兩金屬片分別向外壓向對應的法蘭面，從而在雙金屬自密封波齒復合墊片的上下外表面與法蘭面之間形成附加的墊片應力?？梢娫诓僮鳡顟B(tài)下，它的墊片應力比普通墊片始終多出一種附加應力，其值與介質壓力相當。這種附加應力的存在使原來因壓力升高或其他原因而減少的墊片應力得到了補償和增加，因而使雙金屬自密封復合墊片具有比現(xiàn)有的其他墊片具有更好的密封性能。

4 定力矩緊固配合雙金屬自密封波齒復合墊片實踐應用及效果

鑒于催化裝置在實際生產中出現(xiàn)的蒸汽、油漿法蘭泄露問題和兩種技術對此種泄露可能的效果，從2013年大檢修開始，重油催化裝置便將此兩種技術應用到了檢修過程中，并參照中國石油天然氣股份有限公司煉油與化工板塊《法蘭墊片緊固件選擇及安裝指導意見》和《靜密封安裝指導意見》，編制了車間高溫易泄漏部位法蘭螺栓緊固臺賬。主要應用部位包括3.5MPa高溫蒸汽系統(tǒng)管線法蘭、高溫油漿系統(tǒng)管線法蘭以及少量設備法蘭。具體見下表：

表1 高溫蒸汽、油漿系統(tǒng)法蘭使用情況表

表1主要統(tǒng)計了兩種技術同時應用的情況及使用效果，其中3.5MPa蒸汽系統(tǒng)進出裝置控制閥組閥門法蘭受廠內系統(tǒng)蒸汽及裝置內自產蒸汽的交互作用，壓力、溫度波動較為頻繁，經常出現(xiàn)泄漏情況。在以往的運行過程中發(fā)現(xiàn)泄漏后，為保證生產往往采取直接人力緊固的方式。反復幾次后，泄漏就會出現(xiàn)惡化情況，泄漏無法緊固住，蒸汽長時間泄漏又會使法蘭面出現(xiàn)損傷，進一步加劇泄漏，對周圍設備及日常維護人員安全帶來隱患，最后不得不采取法蘭焊死的極端方式來處理。這樣又給日后的檢修處理帶來困難。采用定力矩緊固和雙金屬自密封墊片后，在兩個檢修周期的運行過程中，泄漏情況大大減少，即使偶爾出現(xiàn)輕微泄漏的情況，在波動穩(wěn)定后也能重新回復到不泄露狀態(tài)。而對比僅使用定力矩緊固的蒸汽法蘭，仍會有少量出現(xiàn)泄漏無法回復的情況。不難看出，兩種技術相輔相成，保證了3.5MPa蒸汽系統(tǒng)的低泄漏率。

在油漿系統(tǒng)法蘭的使用中，定力矩緊固和雙金屬自密封墊片同樣取得了良好的效果。油漿系統(tǒng)泄漏與蒸汽泄漏存在著不同的情況，蒸汽系統(tǒng)介質相對較為潔凈，出現(xiàn)泄漏后法蘭密封面一般不會留下雜質異物等。而油漿系統(tǒng)由于自身工藝性質，往往含有催化劑等顆粒物，一旦出現(xiàn)泄漏，很容易在法蘭密封面上留下較硬的顆粒物，這樣泄漏的法蘭再次緊固密封效果便會下降，所以采用常規(guī)方式緊固，出現(xiàn)一次泄漏便很難消除。由于油漿溫度較高且有可燃性，容易出現(xiàn)著火冒煙的情況，安全隱患較大，也無法進行焊接堵漏處理。并且泄漏的油漿滴落到設備、地面上也對環(huán)境造成了污染。采用定力矩緊固和雙金屬自密封墊片后，首先是墊片增強了密封性能，減少了泄漏，其次定力矩則減少了壓力波動帶來的泄漏。

當然這兩種技術的應用并沒有解決所有的泄漏問題，在實際應用過程中我們就發(fā)現(xiàn)，由于施工工具的限制，采用定力矩緊固的法蘭尺寸一般都大于DN200，這樣在部分使用了雙金屬自密封墊片的規(guī)格較小的法蘭中，仍出現(xiàn)了泄漏無法消除的情況，如閥門的小跨線閥法蘭等部位。還有就是部分規(guī)格較大的法蘭，比如換熱器管箱法蘭等，由于規(guī)格尺寸較大，受系統(tǒng)波動影響更明顯，墊片的密封補償效果及定力矩的施工效果都較管線法蘭要差一些。

5 結語

石油化工管道與設備中連接法蘭的泄漏對生產及環(huán)境的影響和危害極其嚴重，因此在日常維護和檢修過程中尋找合適的密封緊固方法和密封墊片能有效地降低法蘭的泄漏率，減少泄漏帶來的危害，同時在施工中根據具體情況不斷總結對密封材料和緊固施工方法的應用，進一步降低泄漏，從而保證了裝置安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)運行，實現(xiàn)效益最大化。