多管程管箱法兰密封性能探讨

郑 意， 贺 鹤， 武建文， 钟建华

(1.上海蓝滨石化设备有限责任公司， 上海 201518； 2.甘肃省特种设备检验检测研究院， 甘肃 兰州 730050； 3.中国石油 乌鲁木齐石化分公司，新疆 乌鲁木齐 831400)

管壳式热交换器是目前石油化工行业中应用最广的热交换器，但受结构特点及使用工况多元化的影响，使用中常发生泄漏。我公司在制造管壳式热交换器过程中，多次发生水压试验时采用金属包垫的多管程管壳式热交换器管箱法兰密封泄漏的情况。笔者在查阅文献、分析设计计算书后，根据现场经验和多次试验，对泄漏原因进行了分析，并对多管程管箱法兰密封计算修正进行了探讨。

1 多管程管箱法兰密封泄漏原因分析

法兰密封通常是在2个法兰之间加入较软的垫片，拧紧螺栓后垫片受到挤压作用产生变形而嵌入法兰密封面凹凸不平处，使垫片与法兰贴合面零间隙从而实现密封[1]。法兰密封计算中有4个重要参数，分别是预紧状态下螺栓的预紧力Wa、操作状态下螺栓的接触面总残余压紧载荷Fp、垫片系数m和垫片的密封比压y，不同状态下需满足如下关系才能保证密封。

预紧状态下：

(1)

操作状态下：

(2)

式(1)～式(2)中，b为垫片的有效密封宽度，DG为垫片载荷作用位置处的直径，mm；y′为操作状态下垫片需保持的压紧应力，MPa。y′应大于容器的内压力。GB/T 150.3—2011《压力容器 第3部分：设计》[2]中，法兰设计方法——Water算法根据试验和经验明确规定，一般取y′=2mp(p为设计压力，MPa)[3]。

不同类型垫片的垫片系数和密封比压见表1。

表1 不同类型垫片的垫片系数及密封比压

由表1可见，波齿垫片的密封比压y远小于缠绕垫片和金属包垫的，而缠绕垫片和波齿垫片的垫片系数m小于金属包垫的。结合式(1)～式(2)，在预紧力不变的工况下，减小垫片的密封比压和垫片系数是提高法兰密封性能的有效方法。波齿垫片具有较小的密封比压和垫片系数，实际应用中成功地解决了许多压力容器密封泄漏的难题[3]。

在进行法兰密封设计计算时，采用金属包垫可以满足要求，但现场进行水压试验时仍会发生泄漏。究其原因是带分程隔板的管箱法兰与一般法兰的计算方法有所区别，而国内在多管程管箱法兰设计中都忽略了分程隔板槽垫片的压紧力，并且热交换器标准中对此也无要求[4-5]。我国压力容器强度计算常用软件SW6在2017年更新的版本中加入了管箱法兰分程隔板密封的计算，但即便软件中加入了该项，很多设计人员进行密封设计时仍未考虑分程隔板密封。

法兰密封机理见图1。一般法兰在承受内压后会沿轴向张开，垫片真正能起密封作用的有效宽度b仅为垫片实际宽度N的0.2～0.25倍[3]。当法兰有分程隔板时，分程隔板对法兰与分程隔板连接处起加强作用，使得法兰刚度局部增大，因此整个垫片的应力是以分程隔板为中心对称面对称分布，而且法兰在分程隔板处与垫片的接触面积最大，导致该处有效密封宽度b增大，即b>0.25N。若在计算时不考虑分程隔板的影响，会使得该处的计算预紧力远小于实际所需的预紧力。当b增大到使得单位面积上的压紧力小于y或者y′时就会发生泄漏。因此，在进行带分程隔板的管箱法兰计算时，如果不考虑分程隔板的影响，可能会导致在分程隔板位置发生泄漏。

图1 法兰密封机理示图

2 多管程管箱法兰密封计算修正

2.1 方法一[6]

预紧状态下：

(3)

操作状态下：

Fp=(πbDG+AG/2)y′=2πDGbmp+AGmp

(4)

式(3)～式(4)中，AG为隔板分程处的面积，mm2。

2.2 方法二[7]

预紧状态下：

Wa=(πDGb+brl)y

(5)

操作状态下：

Fp=(πbDG+brl)y′=2πDGbmp+2brlmp

(6)

式(5)～式(6)中，l为分程隔板密封面的长度，br为分程隔板处有效密封宽度，mm。

2.3 讨论

对比2种修正计算方法可以看出，唯一的区别在于方法一对分程隔板处的预紧力选取了一半。文献[4]中指出，按照Water算法，公式中的p为设备的计算压力。而分程隔板处的计算压力应是分程隔板两侧的压力差，因而在计算分程隔板预紧力时，p取分程隔板两侧的压力差更为合理。当热交换器分程隔板两侧的压力差小到可以忽略不计时，上述2种计算方法都没有意义。但实际工况下，由于法兰与分程隔板的密封面共面且分程隔板与法兰之间是固定连接，可视作是整体，因此在计算作用在分程隔板截面的预紧力时按照内压p进行计算是合理的。

依据上述分析，计算垫片的有效密封面积时将整个分程隔板的面积都计入计算会过于保守，这与文献[8]中管箱垫片应力最大处主要集中在分程隔板处的结论是契合的，因此笔者认为方法一的计算更为合理，且工程应用也证明方法一的修正计算是有效的。但是方法一和方法二都未考虑由于分程隔板的作用使法兰与垫片接触所增加的面积。分程隔板的作用使得垫片与法兰的有效密封宽度以分程隔板为中心对称分布且逐步递减，与分程隔板成90°方位处为最小有效密宽度b，因此在计算时还应考虑法兰与垫片接触面积增大后需增加的预紧力。此外，方法一是基于分程隔板密封面与法兰密封面共面的条件，当两者不共面时，只计算1/2分程隔板的面积显然不妥。

Water算法中不同状态下螺栓所需的有效截面积分别按式(7)、式(8)计算，并取其较大值。预紧状态下螺栓所需的有效截面积为：

(7)

操作状态下螺栓所需的有效截面积为：

(8)

当Aa/Ap<1时，螺栓所需最小截面积是由操作状态决定，操作状态下Wp主要取决于轴向力πDG2p/4，而压紧垫片所需的残余预紧力2πDGbmp仅占很小一部分[9-12]，此时分程隔板处的面积对螺栓最小截面积的影响微乎其微。另外，Aa/Ap<1时，在计算压力较大或计算温度较高的工况下，所需螺栓最小截面积多为操作状态决定，如果按照Water算法理论，此时分程隔板对管箱法兰的密封影响可忽略不计。但根据上文分析，忽略分程隔板对管箱法兰密封的影响显然不妥，此时仍然使用Water算法不合理。

笔者经过演算发现，SW6软件中对多管程管箱法兰是按照方法一进行设计计算的，该方法可行。但根据上述分析，在螺栓所需截面积由预紧状态决定时，如果法兰尺寸较大，分程隔板的面积会相应增大，再按照式(3)、式(4)计算显然会增大螺栓的作用面积，使预紧力过大，尤其在远离分程隔板位置的垫片应力最大，反而可能存在垫片失效现象[13-22]。

3 结语

多管程管箱法兰泄漏的主要原因是分程隔板加强了管箱法兰的刚度，使得垫片在分程隔板作用范围内的接触面积增大，导致预紧力无法满足实际所需预紧力而发生泄漏。采用垫片系数m和密封比压y较小的垫片是现阶段提高多管程管箱法兰密封性能的有效办法。在进行多管程管箱法兰设计时，应当优先选用m和y较小的波齿垫片，或采用文献[8]中提出的措施优化管箱结构，以提高管箱法兰密封可靠性。对多管程管箱法兰进行设计计算时，Water算法存在局限性，文中所述2种管箱法兰修正计算方法的可靠性还有待进一步考证。