蒸汽法蘭密封泄漏原因分析及處理方法

摘 要：煉鐵工序中蒸汽主要用于置換高爐爐體、重力除塵器及熱風(fēng)爐等內(nèi)部的煤氣，以便維修人員對設(shè)備進(jìn)行檢查、檢修。同時(shí)，蒸汽還用作煉鐵工序部分設(shè)備的保溫，以保證設(shè)備的穩(wěn)定、高效的運(yùn)行。此外，蒸汽還是高爐鼓風(fēng)加濕的主要能源介質(zhì)，通過在高爐鼓風(fēng)中增加一定量蒸汽，可以有效的保持爐缸熱狀態(tài)的穩(wěn)定無波動(dòng)。故本文選取蒸汽法蘭密封泄漏為研究對象，闡述法蘭密封的概念、泄漏形式以及蒸汽法蘭密封泄漏的原因分析。根據(jù)分析的結(jié)果，結(jié)合我公司的現(xiàn)場、生產(chǎn)實(shí)際，提出了蒸汽法蘭泄漏的解決方法。

關(guān)鍵詞：蒸汽;法蘭密封;泄漏;墊片

引言

蒸汽系統(tǒng)法蘭密封泄漏原因較復(fù)雜，同時(shí)，蒸汽法蘭密封泄漏將直接或者間接的造成高爐的檢修脫期、高爐爐況不順穩(wěn)，因此對高爐蒸汽法蘭密封的泄漏有著嚴(yán)格的要求。為了確保蒸汽法蘭密封效果，本人對蒸汽法蘭密封泄露提出了處理方法，其包括密封墊片、法蘭之間增加高溫密封脂及法蘭螺栓增加蝶簧。結(jié)合本公司煉鐵作業(yè)部對二號高爐鼓風(fēng)蒸汽加濕控制閥法蘭密封泄漏的處理，闡述了蒸汽法蘭密封泄露的處理方法及實(shí)施效果。本文僅對蒸汽法蘭密封泄漏現(xiàn)象、原因及處理方法做簡要分析，以期在實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐過程中能起到積極的作用。

一、法蘭密封

法蘭連接一般是由法蘭、墊片和螺栓一螺母三部分組成。通?？可暇o螺栓，使法蘭密封面壓緊墊片，墊片產(chǎn)生彈塑性變形，填滿法蘭密封面上由于加工粗糙度等微觀凹凸不平形成的間隙來實(shí)現(xiàn)密封。法蘭連接雖具有結(jié)構(gòu)簡單、可實(shí)現(xiàn)多次重復(fù)拆裝及使用等優(yōu)點(diǎn)，但如果對法蘭、墊片和螺栓螺母等選用不當(dāng)，或者安裝不正確，都會(huì)引起法蘭聯(lián)接處嚴(yán)重泄漏，導(dǎo)致密封失效。如圖1，法蘭密封結(jié)構(gòu)圖。

二、泄漏形式

法蘭連接泄漏有兩種形式：一種是沿法蘭與墊片的接觸面（即密封面）的泄漏，叫作“界面泄漏”。界面泄漏是由于法蘭密封面與墊片密封面具有一定的粗糙度、不平度等，致使兩者的接觸面上存在著間隙造成的。依靠上緊螺栓減小接觸界面的間隙，是減少泄漏的有利方法之一。第二種是對由纖維制成的非金屬墊片透過纖維間微小間隙的泄漏，稱為“滲透泄漏”。滲透泄漏可視為毛細(xì)現(xiàn)象，泄漏量大小與材質(zhì)的緊密度有關(guān)。在纖維材料中添加某些填充劑，如石棉加入橡膠;用纖維性材料與金屬材料一起成型為組合式墊片，如不銹鋼石墨纏繞墊片、金屬包墊片等，都能避免滲透泄漏現(xiàn)象。

一般來講，高溫介質(zhì)法蘭密封大多數(shù)泄漏屬于界面泄漏且產(chǎn)生的危害比滲透泄漏大得多。因此，本文主要考慮研究界面泄漏。

三、蒸汽法蘭密封泄漏的原因分析

（一）蒸汽管道冷態(tài)的狀態(tài)下引入蒸汽產(chǎn)生液擊的情況

結(jié)合本公司蒸汽壓力浮動(dòng)較大的特點(diǎn)，對蒸汽法蘭密封泄漏做進(jìn)一步詳細(xì)的分析，其原因如下：

（1）在非供暖期時(shí)，公司飽和蒸汽管線壓力平均0.9MPa，蒸汽管道在冷態(tài)的情況下引入蒸汽時(shí)，由于管道的溫度低于蒸汽的溫度，使得管道及其他附屬設(shè)施在被加熱過程中，消耗蒸汽一部分能量，導(dǎo)致蒸汽放熱而由飽和蒸汽變成不飽和蒸汽，析出冷凝水的同時(shí)降低了蒸汽介質(zhì)的溫度和壓力。由于冷凝水的析出造成蒸汽中帶水，在蒸汽管道中其流速較快、流量較大而產(chǎn)生了液擊現(xiàn)象。此時(shí)，液擊對局部管道沖擊力量較大，特別是在法蘭密封處的影響尤為嚴(yán)重，在法蘭的緊固螺栓處產(chǎn)生巨大的拉伸力。此時(shí)，螺栓發(fā)生拉伸變形，導(dǎo)致螺栓對法蘭密封墊片的緊固力低于其密封所需壓緊力，而導(dǎo)致法蘭密封瞬間失效。

（2）在供暖期時(shí)，公司飽和蒸汽管線壓力平均低于0.4MPa，蒸汽含水量較大，且蒸汽流速、壓力較小。蒸汽管道在冷態(tài)的情況下引入蒸汽，管道內(nèi)液擊的力量達(dá)不到拉伸螺栓變形，但是降低其緊固力，在瞬間的沖擊力釋放后，螺栓在受拉伸后的回彈力的作用下，對密封墊片的壓縮量瞬間劇增，在這種頻繁液擊拉伸和回彈壓縮的交變載荷作用下，螺栓和金屬密封墊片發(fā)生塑性變形、回彈能力降低，導(dǎo)致法蘭密封面與密封墊片表面出現(xiàn)相對分離，從而發(fā)生失效泄漏。

（二）蒸汽管道穩(wěn)定輸送蒸汽的情況

在蒸汽管道正常運(yùn)行時(shí)期，也會(huì)發(fā)生法蘭密封泄漏。這是由于在蒸汽管路升溫階段，墊片、法蘭受熱膨脹，它們之間的壓緊力增大;法蘭、螺栓也受熱膨脹，而法蘭的熱膨脹量大于螺栓，它們之間額外的溫度載荷又加劇了螺栓緊固力，使得墊片處的壓緊力增大。在蒸汽管路穩(wěn)定運(yùn)行階段，由于管道及附屬設(shè)施一直處在高溫、飽和蒸汽環(huán)境中，金屬材料的彈性模量、屈服極限將大幅降低，墊片發(fā)生蠕變、回彈能力降低而導(dǎo)致失效。法蘭由于較墊片厚得多、較螺栓短得多，故主要出現(xiàn)彈性變形，而塑性變形較小。當(dāng)蒸汽增加或者減少用量，導(dǎo)致蒸汽管網(wǎng)跟隨其波動(dòng)的情況下，已發(fā)生法蘭密封墊失效處就會(huì)發(fā)生泄漏。

（三）在蒸汽管道溫度下降的情況

由于設(shè)備、工藝等因素的影響，致使部分蒸汽管線在鋪設(shè)時(shí)不可避免地產(chǎn)生局部盲端、死角及泄水難點(diǎn)，該處長期聚集流動(dòng)性差的蒸汽，其熱量逐漸通過管線傳導(dǎo)到外界環(huán)境（盡管有管線外部覆有厚厚的保溫層，但只要存在溫度差，其也不能保證絕對不散失熱量，只是熱量散失的速度慢一些），導(dǎo)致該處的蒸汽逐漸冷卻生成冷凝水。這種情況下，管線的溫度就會(huì)從飽和蒸汽降至100℃以下的冷凝水溫度。在升溫階段，因法蘭接觸蒸汽，而螺栓受到通過法蘭傳導(dǎo)的熱量，故二者存在的溫差使得它們的熱膨脹量不一致，因而相互約束，不能自由膨脹，必然又產(chǎn)生附加的溫度載荷。由于它們長期處于高溫、高壓狀態(tài)下，金屬材料的彈性模量、屈服極限均大幅降低，導(dǎo)致發(fā)生塑性變形，回彈能力下降。當(dāng)溫度降低后螺栓往往并沒有隨法蘭按同一收縮量回彈，導(dǎo)致緊固力降低，在法蘭密封面出現(xiàn)間隙，從而發(fā)生法蘭密封失效泄漏。

由此，蒸汽管路法蘭泄漏，主要是由于高溫及交變載荷下，墊片發(fā)生塑性變形、回彈能力降低;螺栓發(fā)生較大的拉伸變形而緊固力下降，無法彌補(bǔ)墊片變形產(chǎn)生的間隙量或?qū)|片壓緊力小于其密封所需壓緊力時(shí)，導(dǎo)致密封失效。

四、蒸汽法蘭密封泄漏的解決方法

（一）增大法蘭和密封墊片之間的密封接觸面

在密封處涂抹汽輪機(jī)密封用的高溫密封脂，該密封脂將法蘭密封面和墊片之間所有微小間隙及缺陷表面均填滿，其接觸面積要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于墊片表面與法蘭密封面之間面積，且隨溫度逐漸升高開始固化，并長期保持一定彈性。

（二）加強(qiáng)控制螺栓緊固力的穩(wěn)定狀態(tài)

（1）在每個(gè)螺栓上增加一片碟簧，碟簧的選取按照法蘭的工作溫度、壓力以及螺栓的材質(zhì)、規(guī)格和數(shù)量進(jìn)行確定;

（2）安裝時(shí)采用手動(dòng)扳手緊固螺栓，確保將碟簧擰緊至剛好完全展平為止。

（3）為了達(dá)到更好的密封效果，要均勻的擰緊螺栓。

在設(shè)備正常穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，受到高溫及交變載荷作用下，墊片發(fā)生變形，但其表面固化的高溫密封脂仍保持良好的彈性;螺栓由于塑性變形伸長，但隨之施加在碟簧上的壓力減小，其發(fā)生彈性回復(fù)，使得螺栓一直保持在原有壓緊力的狀態(tài)，從而杜絕了法蘭密封失效導(dǎo)致的泄漏問題。

五、蒸汽法蘭密封泄漏解決方法應(yīng)用實(shí)例

（一）二號高爐鼓風(fēng)蒸汽加濕閥法蘭密封泄漏解決效果

2011年12月，鼓風(fēng)蒸汽加濕管道檢修完后，在開始引入蒸汽期間首道手動(dòng)閘閥（A）外法蘭密封處發(fā)生泄漏，其法蘭密封泄漏原因如下：

（1）當(dāng)檢修完畢后，蒸汽管道處于冷態(tài)時(shí)引入蒸汽，析出了大量的冷凝水且沒有及時(shí)排除，致使出現(xiàn)了頻繁的液擊現(xiàn)象，在法蘭密封處產(chǎn)生了較大的交變載荷，且法蘭密封墊發(fā)生塑性變形、回彈能力較低。

（2）由于A閥門至公司管網(wǎng)a處距離僅為21.5m，公司蒸汽管網(wǎng)的負(fù)荷波動(dòng)在A閥門外口處產(chǎn)生了交變載荷;加之加濕蒸汽管道引入蒸汽開始階段，加濕系統(tǒng)的流量、壓力調(diào)整較頻繁，在A閥門法蘭里口也產(chǎn)生了交變載荷。

綜上所述，由于已上兩點(diǎn)原因造成蒸汽管道法蘭密封泄漏。

2011年10月，利用檢修對該處進(jìn)行細(xì)致的處理。處理方法如下：回裝時(shí)在密封墊片與密封面之間涂抹高溫密封脂;每個(gè)螺栓上加一件預(yù)緊碟簧。根據(jù)密封法蘭為PN2.5-DN200的突面（RF）法蘭，密封墊片為金屬包覆墊片，螺栓為24套材質(zhì)20#鋼的M33單頭螺栓，工藝介質(zhì)為壓力0.4 MPa --0.9MPa（溫度158℃--182℃）的飽和蒸汽，以及通過強(qiáng)度計(jì)算及咨詢廠家選取碟簧型號為SY1512 （60*33.8*10.5*11）。運(yùn)行至2014年3月（二高爐檢修期間拆開檢查），經(jīng)歷了多次系統(tǒng)波動(dòng)和短停，均未出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象。

六、結(jié)論

綜合以上分析和現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用情況可知：蒸汽管路的螺栓、墊片承受著靜載荷、沖擊載荷以及交變載荷等多方面因素的影響，傳統(tǒng)的緊固方式在這些綜合因素的作用下無法保證絕對的無泄漏。采用密封面涂高溫密封脂和螺栓加碟簧的方式既簡單，又可定量控制施工質(zhì)量（通過直觀的觀察碟簧被緊固展平即可），有效地解決了蒸汽系統(tǒng)的法蘭泄漏問題。同時(shí)，還要用科學(xué)、合理的方法對設(shè)備進(jìn)行管理，定期有效的實(shí)施管理，才能確保設(shè)備長期穩(wěn)定運(yùn)行。

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作者簡介：

王冬寶（1983-），男，河北省唐山市人，機(jī)械設(shè)備工程師，能源管理高級工程師，本科，畢業(yè)于燕山大學(xué)，現(xiàn)就職于：北京首鋼股份有限公司。