重整装置高温法兰接头保温技术及工业应用

单寅昊 田华锋

（中国石化上海石油化工股份有限公司芳烃部，200540）

关凯书

（华东理工大学，上海200237）

重整装置高温法兰接头保温技术及工业应用

单寅昊 田华锋

（中国石化上海石油化工股份有限公司芳烃部，200540）

关凯书

（华东理工大学，上海200237）

对比分析了热态条件下美国材料试验协会（ASTM）A193 B16和25Cr2MoV这两种螺栓的抗蠕变性能，考察了不同温度下金属－金属接触式垫片和缠绕垫片的压缩回弹性能，设计了金属－金属接触式垫片的预紧方法。采用研究推荐的螺栓、垫片以及螺栓预紧方法在一套重整装置上进行了工业应用试验。结果表明：在重整装置工况条件下，重整反应部分高温法兰连接系统经过一年的保温运行，未发生泄漏现象，节能减排效果明显。

重整 高温法兰 螺栓 垫片 预紧方法 节能

催化重整是炼油和石油化工的一种重要工艺，除生产高辛烷值汽油和芳烃外，还副产大量的氢气。重整反应是强吸热反应，其能耗较大，约占整套装置的46.44%［1］，主要体现在加热炉的燃料消耗上，因此降低重整加热炉能耗是有效降低重整装置能耗的关键。

螺栓的法兰连接是一种常用于压力容器、压力管道和阀门上可拆卸的密封连接结构。重整装置部分设备和管道长期处于高温下运行，高温不仅会引起密封垫片的老化和蠕变松弛而使其回弹性能下降［2］，还会导致螺栓和法兰的蠕变。在操作条件变化时，高温使密封垫片上的工作密封比压逐步降低。同时，在升温、保温及降温过程中，常温下的预紧状态也会发生变化并最终导致法兰连接系统的泄漏失效。为防止法兰连接系统发生泄漏引发安全事故，重整装置高温法兰接头一般不进行保温处理，但是，高温法兰不采取保温措施会导致热量流失，浪费大量的能源。在能源日趋紧张的情况下，如何兼顾节约能源和保障运行安全，对重整装置高温法兰接头进行保温是未来必须解决的问题。

文章对高温部位法兰接头保温可靠性进行了研究，对螺栓、密封垫片等法兰组件在相关工况下的运行状态进行了分析，提出了重整装置高温部位法兰组件的改进方案。以研究结果为基础，通过选择合适的材料以及螺栓的预紧方法，在中国石化上海石油化工股份有限公司（以下简称上海石化）芳烃部一套连续重整装置上进行了高温法兰保温的工业应用试验。

1 高温法兰接头的保温研究

关于高温法兰接头的保温研究尚不多见，但关于高温法兰的泄漏有一定的报导［3－5］。法兰接头保温后，法兰组件的工作温度升高，随着服役周期的延长，会带来螺栓、法兰及垫片的高温蠕变和松弛问题，使密封元件的回弹能力下降，从而引起垫片工作密封比压的显著降低，导致法兰系统的泄漏失效。

1.1 螺栓材料的选择

蠕变是指在载荷不变的情况下，应变随着时间的延长缓慢增加的现象。法兰接头保温后螺栓和法兰的温度都会提高，法兰会蠕变伸长，导致法兰接头松弛进而产生泄漏，为此需要选择抗蠕变性能较好的螺栓。

上海石化芳烃部一套连续重置装置法兰接原采用25Cr2MoV螺栓，这种螺栓的抗蠕变性能较差。查阅国内外螺栓的标准，发现美国材料试验协会（ASTM）A193 B16螺栓可以在设计温度550℃以上使用。因此以550℃为试验条件，对A193 B16以及25Cr2MoVA螺栓分别进行蠕变实验研究，对比分析二者的抗蠕变性能。

工程上材料的抗蠕变性能通常可以Norton方程表示［6］：

式中，ε.min为蠕变第二阶段的蠕变应变速率，σ为材料的加载应力，B、n是与温度有关的常数。

对材料在同一温度（550℃）分别进行不同应力下的蠕变实验，获得不同载荷下的应变随时间变化的函数关系，通过对各应力水平的蠕变时间曲线对时间求导数，得到不同应力下的蠕变速率。将应力－蠕变速率分别代入Norton方程，得到Norton方程中的常数项B和n，获得Norton方程。

热态条件下25Cr2MoV、A193 B16材料的蠕变Norton方程分别为：

25Cr2MoV：ε.＝4.07×10－15σ4·29

A193 B16：ε.＝1.26×10－17σ5·278

在上述方程中，ε.为稳定阶段的应变速率，σ为螺栓的应力。

图1为两种材料的应变速率－应力曲线。

图1 两种材料的蠕变Norton方程的单对数坐标曲线

由图1可知：在相同应力水平下，A193 B16材料的蠕变速率低，说明蠕变变形比25Cr2MoV的小。A193 B16螺栓的抗蠕变性能优于25Cr2MoV，使用A193 B16螺栓可以使保温后的螺栓具有更好的抗蠕变松弛能力。

1.2 垫片材料的选择

螺栓的法兰连接中，垫片是重要的密封元件，其性能直接影响到密封的可靠性。上海石化芳烃部一套连续重置装置法兰连接采用了缠绕垫片（SWG），该垫片压缩回弹性能差，导致法兰接头保温后发生了垫片接触力下降而发生泄漏现象。受核电垫片的启发，采用压缩回弹性能更好的金属－金属接触式垫片（MMC）和缠绕垫片进行不同温度的压缩回弹对比试验，试验结果见图2。

图2 金属SWG／MMC垫片的压缩回弹性能曲线

从图2中可以看出：随着温度的升高，缠绕垫片的压缩回弹曲线向右移动，说明温度对缠绕垫片的压缩回弹特性的影响较明显。在相同的压紧应力下，随着温度的升高，垫片的压缩曲线逐渐变缓，回弹曲线的斜率逐渐变陡，说明随着温度增加，缠绕垫片变软，且回弹性减小。缠绕垫片和MMC垫片的压缩回弹性能相差很大，MMC垫片的最大压缩比约0.25，而缠绕垫片的最大压缩比约0.15。从压缩曲线看，MMC垫片的压缩曲线比缠绕垫片的压缩曲线平缓，说明MMC垫片的压缩变形比较稳定，产生的压缩量比较大；从回弹曲线看，MMC垫片的回弹曲线比缠绕垫片的回弹曲线平缓，说明MMC垫片的回弹量大，具有较好的回弹性能。

1.3 螺栓预紧方法的研究

螺栓法兰连接中，由于不能对所有螺栓同时加载，因此预紧要有一定的先后顺序。后续加载的螺栓在夹紧法兰面的时候会影响前面加载的螺栓，造成之前预紧的螺栓载荷下降［7－10］，使得垫片周向上受力不均，这是导致法兰保温后泄漏的重要原因。采用正确的预紧顺序和预紧次数对保证法兰接头保温后的可靠性十分重要。美国机械工程师协会（ASME）于2000年首次发布了ASME PCC－1《压力边界螺栓法兰连接安装指南》，2010年又发布了修订版。该标准推荐了多种预紧方法，但预紧方法繁琐，现场安装不容易控制，同时该方法不是针对MMC垫片而设计。在该标准推荐方法的基础上，重新设计了适合MMC垫片的预紧方法，该方法效率更高，更容易实现现场安装，以16根螺栓的法兰为例：

第一轮：依照1－9－5－13次序依次对螺栓加载50%～70%的目标扭矩；

第二轮：依照1－2－3－4－5－6－7－8－9－10－11－12－13－14－15－16次序依次对螺栓加载100%的目标扭矩；

第三轮：重复第二轮；

第四轮：重复第二轮。

为验证螺栓预紧方法的可靠性，通过搭建一套公称压力0.5 MPa、公称直径300 mm的法兰实验装置进行验证。实验中使用XL2101G60静态电阻应变仪以及BX120－3AA应变片采集螺栓应变值。静态应变仪能够同时测量60个通道的应变值，并且能动态跟踪单一通道的应变值的变化。实验中采用四分之一桥自补偿平衡电桥法，在螺栓中部对称的两侧沿轴线方向粘贴两个应变片，再粘贴上接线端子，焊接上导线，将其接入应变仪中，其中选择一根螺栓放在实验环境中，保持不受力状态，贴上应变片作为补偿与每根螺栓形成平衡电桥。

由MMC垫片厂家提供螺栓拧紧力为44 kN，这个力作为几种加载顺序的目标螺栓力。按照上述预紧方法对螺栓进行加载，将XL2101G60所测的每根螺栓的两片应变片值取均值后，得到螺栓的实际测量应变，将结果整理成各个螺栓力变化图（图3）。

图3 法兰实验优化拧紧顺序方法的螺栓力变化

由图3可知：第一轮对4根处于对角的螺栓进行加载，然后采用100%的目标载荷对法兰螺栓顺序加载，加载到第四轮，螺栓力全部达到目标预紧力的95%以上，说明达到螺栓力分布均匀，第五轮加载没有必要进行。

上述预紧方法更适合化工装置现场操作，操作人员既不需要对螺栓进行编号，也不需要为了多次拧紧对角螺栓而绕法兰走动，可提高工作效率。

2 高温法兰保温工业应用试验

基于上述研究，采用推荐的螺栓和垫片材料以及螺栓的预紧方法，在2012年10月开车的上海石化芳烃部3＃重整装置上进行了工业应用试验。从2013年5月开始，逐步对3＃连续重整装置的集合管盲法兰和转油线法兰接头实施了保温处理。

2.1 法兰接头的现场安装

为保证法兰接头的密封性能，必须采用正确的方法对法兰接头进行安装，其中法兰接头安装前的找正是保证法兰密封的关键。法兰接头安装前需要进行找正，这样可以保证法兰和垫片最大限度的接触，使垫片载荷均匀，提高螺栓预紧效率。ASME给出了法兰现场找正的指南，安装时参照该标准执行。

法兰接头安装过程中的一个重要环节是螺栓预紧载荷的确定和螺栓的预紧顺序。螺栓的预紧载荷是由垫片的性质决定的，就是在法兰和垫片的石墨密封面接触后继续施加载荷，额外的载荷施加到垫片外环的金属上使法兰面和垫片外金属环接触（因此成为金属－金属接触型垫片）并保持一定的载荷，为此垫片供应商提供了最低的螺栓载荷预紧力。因此现场的螺栓预紧力由垫片供应商提供，螺栓的预紧顺序按1.3的预紧方法执行。

2.2 法兰接头的保温措施

为了预防保温后高温介质发生泄漏，设计了特殊的保温结构，具体如图4所示。通过在两片法兰间增加一个密封环带及进、排气口对从垫片处渗漏出的介质进行排出。

图4 法兰保温结构设计

2.3 节能效果

截至2014年5月，高温法兰连接系统经过保温处理后运行了一年，未发生泄漏现象。经检测，不保温条件下，3＃重整装置集合管盲法兰外表面温度约为400℃；保温后，盲法兰保温层外的温度下降到60℃。

重整反应为强吸热反应，反应部分的能耗主要为燃料消耗。燃料消耗量与重整装置负荷、重整原料的环烷烃含量、重整汽油辛烷值以及反应温度相关。2013年3—7月，重整装置运行平稳，负荷相对稳定，原料变化较小，原料中环烷烃质量分数约为22.6%，反应温度控制在516℃左右，重整汽油研究法辛烷值约为98左右，因此选择3—7月的数据作为效益测算依据。表1为整理的工况条件数据及四合一炉的燃料气用量变化情况。

表1 3—7月重整装置工况及反应炉燃料气用量

由表1可见：与2013年3、4月重整装置法兰接头不保温期间相比，5—7月保温后燃料气消耗平均降低了1.08 m3／t。按设计负荷1 Mt／a计算，每年可节约燃料气用量约1.08×106m3，即可节约天然气769 t，按照2013年12月财务价格计算，全年可增效291万元。因此对高温部位进行保温，不但可实现节能减排，还可以消除人员烫伤的安全隐患。

3 结论

（1）A193 B16螺栓的抗蠕变性能优于25Cr2MoV，使用A193 B16螺栓可以使保温后的螺栓具有更好的抗蠕变松弛能力；与缠绕垫片相比，金属与金属接触型垫片的回弹量大，具有较好的回弹性能。选用A193 B16螺栓和金属与金属接触型垫片，可保证法兰接头保温后的垫片压力。

（2）对螺栓的预紧方法进行试验研究，确定了最优的预紧方法，可保证法兰上所有螺栓受力均匀。

（3）对法兰接头保温方法进行特殊设计，通过加装通风和泄漏排放接管，一旦发生泄漏可以及时排到大气中，避免高温油气在保温层内的积聚。

（4）采用推荐的螺栓和垫片以及螺栓预紧方法的工业应用试验结果表明：在重整装置工况条件下，重整反应部分高温法兰连接系统经过保温处理后运行了一年，未发生泄漏现象。重整装置高温法兰保温后每年可节约天然气约769 t，年增效291万元。

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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。

单寅昊，男，1983出生，2005年毕业于华东理工大学化学工程与工艺专业，工程师，主要从事工艺、生产管理工作。