延迟焦化装置间歇系统法兰密封泄漏原因分析及对策

张宏锋，靖迎涛，马辉，佟明高，赵玉升

（中国石油独山子石化分公司第一联合车间，新疆 独山子 833699)

独山子石化公司120万t/a延迟焦化是由中国石油工程建设公司下属的华东设计分公司2007年完成设计，采用可调循环比，循环比调节范围控制在0.2～0.6之间。操作弹性60%～120%。装置采用一炉两塔工艺，将加热的减压渣油经过裂解和缩合反应生产成为焦炭与油气。装置主要分为间歇系统、连续系统，其中连续系统包括分馏、吸收稳定系统，间歇系统包括焦炭塔、凉水系统。2009年9月投产，主要原料油为减压渣油，属于重油组分，油品密度（20℃）1.017g/cm³，操作温度在500°左右，法兰泄漏轻则冒烟污染环境，重则发生火灾爆炸事故。由于焦化装置的主要工艺生产特点为间歇操作，2009年开工以来由于周期性温变造成螺栓疲劳、预紧力不足发生法兰密封泄漏情况，严重威胁装置的长周期安全生产。

1 法兰泄漏原因分析

导致法兰泄漏的原因有很多（见图1），密封垫的原因要占一部分，法兰连接面是否光洁要占一部分，但最主要的原因还是螺栓预紧力的影响，因为其最难控制。

1.1 设备工况

焦炭塔是焦化装置的关键静设备，与其相连的油气管线较多，主要工艺管线均为法兰连接，操作压力范围0～0.3MPa，操作温度0～500℃，油气流量变化范围0～115.5t/h，温度、流量、压力循环周期为24小时。

1.2 螺栓预紧力

通常法兰螺栓安装一般采用敲击扳手搭档大锤的组合方式，以达到螺栓紧固的目的。判断螺栓紧固是否到位的标准是借助施工人员的经验，用扳手敲击螺栓听声音。这种方法完全是靠经验，施加在每套螺栓的力矩值必然会存在差异，更谈不上力矩值的精确。这种紧固方法存在先天的缺陷，敲击扳手在螺母处的作用点与大锤施加在扳手上的作用点之间存在一个力臂，施加的紧固力矩会造成螺栓发生侧向偏载（见图2），使螺母与法兰接触面之间、螺母与螺杆螺纹啮合部位摩擦力增加，这部分额外增加的摩擦力不可预知，力矩损失也就无法确定，因此加载到螺栓的载荷是不精确的。当被密封介质工况发生波动时，法兰上每套螺栓预紧力的变化是不同的，当螺栓预紧力变化时，残余的力矩值小于法兰密封所需的的最小力矩值时就会发生泄漏。

图1 法兰密封泄漏原因统计

图2 扳手类工具存在侧向偏载

1.3 垫片选用

根据装置设计规范要求，公称压力PN≥10.0MP(CL600)的法兰采用环槽型密封配八角型金属环：PN≤5.0MPa(CL300)的法兰，采用突面密封面配缠绕式垫片。针对频繁泄漏的法兰能量隔离后，打开检查垫片无缺陷。

1.4 法兰密封形式

查原始设计说明，法兰采用与API阀门相配的中国石化行业标准《石油化工钢制管法兰》；采用化工部标准《带颈对焊钢制管法兰（美标）》（HG20617-97）的法兰使用在与设备相连的位置。检修泄漏位置法兰，检查密封面均无制造缺陷。

综上所述，该装置间歇系统法兰泄漏原因主要由温度、压力、流量变化，螺栓预紧力力矩值不明确等因素造成。任何石油化工装置的设备法兰间均安装密封垫片，本装置间歇系统主要采用的密封垫片有波齿垫片、内外环缠绕式垫片。法兰泄漏具体过程分析，任何形式的密封垫片均有受力承受范围，假设螺栓预紧力过大就会造成密封垫片失弹，进而损坏失效，投用即会发生泄漏。假设螺栓的预紧力过小，设备内介质在温度升高时，由于热传导的作用，法兰温度首先上升，接着螺栓温度才会上升，这就造成在工艺生产前期法兰的温度是高于螺栓的温度，温差造成膨胀系数不同紧固螺栓被拉伸。此时螺栓产生的紧固力会比预紧力要大，法兰间密封垫被进一步压缩。随着时间的推移螺栓温度必然会缓慢上升，最终接近法兰温度，密封垫在进一步压缩后并不能完全回弹，螺栓的预紧力就会减少一些。当工艺操作调整设备内介质发生变化时，法兰和螺栓的的温度均会跟随介质下降而下降，但是温度变化初期螺栓的温度要高于法兰的温度，此时螺栓的预紧力进一步减少。因此对于压力、温度变化频繁的法兰来说，螺栓的预紧力是逐步减少的。传统安装工具造成每套螺栓的预紧力偏差较大，当法兰内部的压力高于法兰上任何一套螺栓的预紧力时，被密封的介质就会突破密封垫的限制发生泄漏。泄漏介质极易造成法兰密封面与密封垫损坏，此时重新施加螺栓紧固力也无用。只能采取应急措施解决，例如带压堵漏、包焊等。

2 解决泄漏措施

车间尝试采用高温预紧碟簧，使用常规液压板手紧固螺栓，这种紧固工具可以预先设定紧固力矩值，以此来保证施加在每套螺栓的载荷相同，存在的缺陷是驱动力需要有一个反作用力臂来配合，否则常规液压扳手就不能实现紧固功能。智能型螺栓（Rotabolt）锁固虽然可以做到每条螺栓的力矩偏差较小，但是不能满足温变使用要求。采用凯特克的DISC拉伸垫圈并配合定力矩紧固技术不仅解决法兰泄漏问题，同时可保障长周期运行。

2.1 碟簧

碟簧是一种承受轴向载荷的锥形环状垫圈，碟簧（图3）使用过程厚度不会发生变化，其承受的轴向载荷均匀分布在表面一侧的内圈与另一侧的外圈，是一种依靠弹性来完成补偿的一种元件。当螺栓处于紧固状态时，碟簧发生形变，将形变能量储存，当法兰因为温度等原因变化时，储存的能量将会释放来补偿损失的螺栓预紧力。实际应用过程中经常会出现碟簧疲劳导致法兰泄漏，距离使用预期效果相差较大。

图3 碟簧形状图示

2.2 智能型螺栓(Rotabolt)

专业技术人员首先对法兰运行条件调研，进行计算来确定螺栓最合适的力矩指示器，保证螺栓不会发生力矩过载，同时确保同一法兰的每套螺栓紧固力矩值是基本一致。

智能型螺栓（Rotabolt）的特点：①每套螺栓均依管路压力及温度设计，并逐套预拉伸及测试。②可确保每套螺栓达到锁紧设定值时，可达到±5%误差范围内，而达到平均锁固的最佳状态。③用手即可检测螺栓锁紧力（旋转帽盖无法旋转表示已达扭力值，可旋转则表示尚未达扭力值），投入使用后不需紧固。缺点是需在日常巡检过程中检查螺栓是否松动来确定是否进行在线紧固，不能满足一个检修周期不紧固的要求。

2.3 DISC拉伸垫圈

采用HYTORC公司在2003年推出了一款新的专利产品凯特克的DISC拉伸垫圈螺栓紧固技术，采用一个特殊的六角形拉伸垫圈，几何尺寸和法兰螺栓的螺母相同。结合专用驱动器来紧固螺栓，驱动器以拉伸垫圈为着力点，结合拉伸垫圈下表面与法兰螺栓孔外表面的摩擦力来平衡反作用力。在驱动器内部旋转螺母，实现螺栓被拉伸目的，进而带动垫圈的内螺牙环一起向上移动。当驱动器扭矩低于需要克服紧固摩擦力时，螺栓紧固结束。如图4～图6。

图4 螺栓内部结构标注与剖面图

图5 拉伸垫圈

图6 驱动器内、外套筒剖面图

（1）新型垫圈与驱动器配合，无需反作用力臂平衡，在结构上就消除了偏载造成螺栓预紧力不精确的因素，紧固过程中的没有偏载造成的摩擦力，降低了未知的摩擦力影响，驱动器的扭矩转换成螺栓预紧力值就更为精确。采用HYTORC公司专有的螺栓预紧力控制方案，法兰紧固力均匀、精确，实现真正意义上的“零泄漏”。

（2）按照法兰螺栓扭矩管理方案进行工况参数调研（表1），依据调研结果结合ASME制订的压力边界螺栓法兰连接装配指南（PCC-1-2010）进行综合分析，科学制定紧固方案，确保紧固完成后的法兰零泄漏，长周期稳定运行。其中为保证法兰不泄漏，螺栓所需的最小预紧力由三部分组成：①克服温差变化所需的预紧力Pre-Load for TemperatureVariety；②克服内压所需的预紧力Pre-Load for Testing Pressure；③保证密封垫正常工作所需的预紧力Pre-Load for Gasket Working Pressure。

表1 现场工况参数表

（3）紧固示意图（图7）与紧固步骤：①在位置1放置液压扳手，以四同步方式进行锁紧，设定预紧力输出为50%，紧固后测量并调整法兰间隙。②在位置2放置液压扳手，以四同步方式进行锁紧，设定预紧力输出为50%，测量并调整法兰间隙。③在位置3、4、5依次放置液压扳手，以四同步方式进行锁紧，设定预紧力输出为100%，测量并调整法兰间隙。④最后用100%的预紧力，从位置6开始顺时紧固所有螺栓，直至所有螺母不在转动。

图7

3 结语

新型无反作用力臂螺栓紧固技术真正实现零泄漏，并且得到了石化公司的认可，目前在各套装置推广应用。该技术彻底根治延迟焦化装置间歇系统设备的法兰泄漏问题，最大限度的降低了检修风险，节约了检修成本。同时消除了设备静密封点的VOC排放，满足环保标准要求，避免了发生因法兰泄漏导致的火灾、爆炸等恶性事故的发生，为石化装置的安全平稳运行和保护员工的生命安全提供有力保障。