化工设备设计中对高温法兰密封结构的思考

陶颖（中国石油集团东北炼化工程有限公司吉林设计院，吉林吉林 132002）

化工设备设计中对高温法兰密封结构的思考

陶颖（中国石油集团东北炼化工程有限公司吉林设计院，吉林吉林 132002）

化工设备的设计高温设备越来越多，如果这些高温设备的法兰密封仍然采用常规的方法实施设计，会带来一系列问题，实践经验表明，对高温结构的实际设计应予以重视，本文就高温设备结构设计中应注意地方进行探讨，望能有助于设计实践。

压力容器；法兰密封

世界上主要的工业化国家对高温压力容器设计普遍都制定了相应的规范，也都有可以参照的规范对照着指导设计。从当前我国的容器设计实际来看，对高温设备设计还缺失相应的规范或标准，所以有相当一部分设计人员在从事高温设备的设计时，采用的是常规设计方法实施设计的，由于缺失了对高温设备结构问题的重视，往往导致了高温设备在实际应用中的隐患，设备安全系数降低。

1 问题呈现

在化工设备设计中，管法兰的连接结构大多采用如图1所示的连接方法，但是，实践经验表明，在高温容器管法兰设计里面，如果简单选用HG/T20592-20635《钢制管法兰、垫片、紧固件》，部分是不安全的。

高温时法兰与螺栓相比，法兰的工作温度要比螺栓高。前者的轴向伸长要比后者大，导致螺栓的温差应力生成并与压力引起的拉伸应力相互叠加，容易引起螺栓的屈服或蠕变。加上，设备在高温流体的作用下，设备壁有很高的温度导致因物理热胀而发生变形，导致法兰偏转，导致了螺栓负荷的增加。法兰的变形和螺栓的拉长，直接引起垫片无法很好地压紧，泄漏事故发生。

通过实验发现，法兰的内压力如果从高到低，那么垫片的负荷将会减小，如果法兰比螺栓的温度高，垫片的载荷明显将会增大，当设备的筒体温度比法兰的温度高时，垫片的载荷也会减小，但是，一旦垫片的载荷比密封所需载荷小时，泄漏现象就会发生了。上述原理表明在实际的应用时，壳体和法兰如果存在较大的温差，就越需要加大预紧载荷，设备在运转的过程中必须再紧一紧螺栓，但是，如果停止操作，温差降了，垫片很容易出现疲劳，螺栓也会松弛。同时，预紧螺栓时，也无法做到载荷的均匀，不均匀的热变形也是发生泄漏的原因之一。

从当前的设计实践来看，在高温高压设备中的法兰连接通常采用的是透镜式金属垫，该结构设计，升温时因为法兰大，其温度升高比较慢，而透镜垫相比而言升温快，后者的热膨胀受到前者的约束，热应力比较大与预紧应力相叠加，合力超过屈服限的可能性很大，应力松弛和垫片残余变形的现象时有发生；与升温相比，降温过程中，恰好相反，垫片的冷却速度要快于法兰，容易导致压紧力偏小而引发泄漏现象。在升温、降温的多次循环作用下，残余变形越积越严重，压紧力也越来越不足，泄漏问题越来越严重。

2 防止高温泄漏的措施分析

如何有效防止高温泄漏呢？笔者结合多年的设计经验，从法兰密封在高温下容易失效的原因出发，提出如下几项措施，望能有助于设计实践。

2.1 为了有效改善法兰、螺栓与垫片的受热情况，笔者认为可以在垫片与法兰的内侧设置一个隔热衬环，切实地降低几者之间的温差，严防螺栓达到屈服和蠕变以及法兰变形的温度差，该做法对防烧、防漏在实践中收到了较为显著的效果。

2.2 采用活套法兰设计，这种做法可以有效地抵抗热冲击和热循环载荷。同时有较大的刚性，有效地减少了法兰因受到螺栓的拉力而出现的偏转；设计上，法兰与管壁采用的是刚性连接，管壁的热应力传不到法兰；作用力的力臂短，螺栓的受力不大，不容易出现螺栓的拉长现象；加上法兰厚、螺栓长，法兰相当大的一部分热膨胀被螺栓所吸收，螺栓应力不容易超过屈服限。考虑到造价的原因，可建议在管道上用螺纹法兰，对直径较大的设备可选用其他形式的活套法兰，这样可以有效控制设备的造价。

2.3 设计上采用套筒，这样可以有效加长螺栓的长度。物理学理论显示，螺栓和套筒的总长能够有效补偿热应力。法兰轴向热膨胀允许位移有所有增大，这样保证了螺栓应力不容易达到屈服限，从而有效保护密封垫片不处于超负荷作用的状态。

2.4 螺栓加弹性垫圈。这种结构和套筒的作用类似，有很好的吸收热膨胀的作用，但是在高压下该设计不适用。实践经验表明，弹性垫圈的使用温度太高时会因为回火而失去弹性，效果并不是很好。

2.5 垫片的材质选择应根据温度、压力的高低确定。

2.6 在有纵向隔板的情况下，特别要注意避免在法兰周向上产生温差，因为在高温侧要衬隔热衬里或装置水夹套，使其周向温度趋于接近。

2.7 尽量减小筒体与法兰之间的温差，避免增加垫片预紧力而引起垫片疲劳和螺栓松弛，从而导致泄漏问题。

2.8 在特别高的温度（比如大于500℃）时，不仅需要很厚的法兰、大螺柱，在一些高温高压容器中，对于大口径的接管，应避免用法兰连接，而采用对焊连接。

3 结语

高温法兰连接结构是否可靠，势必影响产品质量，甚至带来安全上的隐患。为了保证高温法兰密封能够达到预期效果，要根据压力容器具体操作环境，切实给出可行的高温法兰密封结构，设计人员在设计中对可能出现的各种问题给予高度重视，这样才能保证压力容器的产品质量，确保压力容器在装置中安全、可靠运行。

［1］古大田等.废热锅炉.北京：化学工业出版社，2002.

［2］郑津洋等.特殊压力容器.北京：化学工业出版社，1997.