炼化装置管道法兰完整性管理方法的研究应用

祝加轩，李 敏，王 波，张文泽，解志刚

(中国石油独山子石化分公司研究院，新疆 独山子 833699)

石油化工装置管道的泄漏问题一直是困扰炼化企业的难题，输送的工艺介质一般具有高温、高压、易燃、易爆、有毒等特点。管道一旦泄漏，轻则影响装置连续生产，重则造成严重的经济损失甚至人员伤亡。尤其是近年来在原油劣质化和装置大型化、高参数化的背景下，工业管道的泄漏问题更加突出。当前炼化企业对管道泄漏问题的管理主要采取的是事故处理方式，没有对泄漏原因进行深入系统统计和分析，制定的泄漏应急处理措施和长期解决方案不够科学和系统，未对管道泄漏实施完整性管理措施，导致相同原因的泄漏问题不断重复发生，甚至出现严重事故，不仅影响装置长周期安全运行，还对环境造成严重影响。

近几年，国内学者对管道法兰静密封接头的泄漏问题开展了工业管道法兰的泄漏与防护研究工作。研究结果表明，在装置管道泄漏管理和防护方面，目前尚存在如下3个问题：1)目前国内尚无成套装置静密封完整性数据信息化管理的技术依据；2)密封接头的适用性与使用寿命问题；3)螺栓法兰接头的安装缺乏相应的技术支持。

针对上述3个问题，笔者进行了分析研究，总结了部分典型炼化装置静密封点的完整性管理方法，对密封组件进行寿命预测，规范了螺栓法兰接头的安装流程，并在典型的炼化装置上成功应用，取得了较好的效果[1]。

1 炼化装置静密封完整性管理方法的建立

通过成套装置的大量法兰密封泄漏案例的调研，进一步对法兰泄漏规律进行分析，可以发现引起法兰泄漏的原因有运行环境恶劣、操作参数波动、密封元件不匹配、密封元件质量控制不严、设计或安装不当等因素，即法兰泄漏涉及到设计、制造、安装和运行整个环节，只有保证每个环节密封元件达到规定要求，才有可能保证密封点不发生泄漏。因而，法兰密封结构完整性管理方法的建立，将从密封结构信息化管理、密封组件适用性、风险评价、泄漏控制等多个方面综合考虑，形成一套完整的技术方法[2]。

1.1 法兰密封结构信息化管理

法兰静密封点的信息化管理如图1所示，主要包括密封点的基本信息、组件信息、点位信息和泄漏历史信息管理。

图1 法兰密封点信息化管理基本框架

在信息化管理工作中，其基本框架流程如下。

1)管道基本信息是基础，以管道基本信息构建密封点信息，其中管道基本信息主要包括：分厂名称、车间名称、区域名称、单元、管道编号、图号、管道起点、管道止点等信息。

2)密封点基本信息是将某管道下的所属密封点纳入到管理范围之内，主要信息包括密封点编号、密封点描述等内容。其中，密封点编号需要结合管道信息进行二次编码，建议装置内静密封点按类型(阀门、法兰、开口管线和连接件(管帽、活接、丝堵、丝扣等))进行编码规则设计。

3)密封点组件信息从属于密封点基本信息，主要是提供每个密封结构详细的法兰材质、垫片类型、螺栓规格和数量等信息。

1.2 密封组件适用性评价

法兰密封泄漏失效案例调研工作表明，密封元件不匹配也是造成泄漏的众多原因之一。垫片材质同法兰、介质不匹配，造成垫片开裂，从而导致泄漏；垫片材料中石墨材质不达标，高温氧化分解导致泄漏；垫片类型误用导致泄漏；螺栓同介质不匹配，发生应力腐蚀开裂，造成螺栓力下降导致泄漏。因此，在法兰密封结构完整性管理方法中需要引入密封组件的适用性评价内容。

适用性是用来评估所提出或采用的方法在实际使用环境下的适应程度，即在正常使用条件下满足预定使用要求的能力。密封组件的适用性是指密封组成件中各个要素及其组成的整体，在服役环境下能否发挥密封作用，保证介质不外漏。本项目中的研究对象是螺栓法兰接头静密封，因此，密封组件的适用性评价，主要是研究法兰、垫片和螺栓等3个要素在具体服役环境(介质、温度和压力等)下的适用程度，即适用性评价主要包括密封接头失效模式分析和密封接头匹配度分析等内容，该部分的详细内容将在密封组件适用性研究中介绍，此处不再赘述。

1.3 风险评价

成套装置内存在数量众多、各式各样的螺栓法兰密封结构，不仅有盛装水、压缩空气的低压密封结构，还有盛装蒸汽、碳氢化合物、易燃易爆气体的高压密封结构。尽管每个法兰密封结构均应该按照规范进行设计、安装，但考虑到潜在失效后果因素，盛装高压、危险介质的密封结构需要附加设计、安装、维护以及其他要求。因此，法密封结构的风险分析在完整性技术内容中是不可缺少的一部分，通过风险分析评价密封结构的重要度，进而根据重要度情况合理配置检维修资源，保障法兰结构的密封性能。

法兰密封结构的重要度，受到本质安全、安装水平、运行环境等因素的影响，因此，法兰密封结构风险评价应考虑上述因素的影响，从失效可能性和失效后果两个方面对法兰密封结构进行量化评价。

法兰密封结构风险分级方法采用半定量风险分析方法，以法兰密封设计、操作参数为基础，结合生产情况以及法兰的安全特征和变化状况，评估法兰密封结构的风险水平。风险值R较高的法兰密封结构应采取降低风险的措施，使风险值降低到可接受的范围内。

承压设备法兰密封结构风险评价的一般工作流程如图2所示，主要包括如下关键环节。

图2 法兰密封结构风险评估流程图

1.4 泄漏控制

在法兰密封结构的完整性管理方法中，从密封结构信息化管理、密封组件适用性到风险评价，这一过程是保障法兰结构密封性能的基本要求，均是为泄漏控制做支撑的，即泄漏控制措施是保证接头密封性能的关键一环。泄漏控制措施逻辑框图如图3所示。

图3 泄漏控制措施逻辑框图

依据法兰密封结构已发生的泄漏情况来看，紧固力是否合理以及施加方式对于安装之后的密封性能至关重要。对于通过多次紧固，仍然无法实现密封的法兰结构，更换部分密封元件之后再次进行紧固，能够达到预期目标。而上述2种方式均失效后，表明传统强度设计方法已无法满足密封要求，可考虑再设计，以泄漏率为指标进行详细设计。因此，法兰密封结构的泄漏控制措施主要包括紧固、更换密封元件后紧固、再设计等3个方面，其优先级依次降低，详细描述如下。

1)紧固。首先，根据GB 150计算法兰密封结构预紧力及安装力矩，对于高温法兰密封结构考虑温度补偿因素，并进行法兰密封结构刚度校核；其次，依据法兰密封结构的风险评价结构选择相应的安装方法。

2)更换密封元件后紧固。对于采用上述紧固步骤无法达到降漏目标的法兰，停机更换新垫片或低泄漏垫片后再紧固，法兰密封结构预紧力及安装力矩计算、校核和安装方式的选择同1)紧固。

3)再设计。对于按照上述两步骤均无法达到降漏目标的法兰，考虑按照泄漏率指标进行重新设计。

2 密封组件寿命预测技术研究

2.1 密封垫片寿命预测技术

密封垫片寿命预测技术研究旨在通过该技术预测某一类型垫片在具体工况下的平均使用时间，一方面为垫片的备品备件工作提供指导，另一方面可以制定垫片的更换周期，预防泄漏事故的发生。

在石化成套装置内，非金属垫片和半金属垫片的使用量最大。非金属垫片主要有聚四氟乙烯垫片、柔性石墨垫片、无石棉橡胶垫片、有机纤维增强垫片等；半金属垫片有金属包覆垫片、石墨填充金属齿形垫片、石墨填充金属缠绕垫片等。对于使用非金属垫片或半金属垫片而言，由于密封垫片材料老化、龟裂、变质以及在工作应力下的蠕变松弛所导致的界面泄漏和渗透泄漏约占总泄漏量的80%～90%，因此寿命预测主要针对非金属垫片或半金属垫片，主要的试验方法是加速寿命试验方法。

2.2 螺栓寿命预测方法

在用螺栓的潜在失效模式为由交变载荷引起的机械疲劳塑性断裂失效和因常时间高温下服役形成的蠕变断裂失效，以及二者的耦合[3]。

1)在用螺栓疲劳寿命计算：基于GL规范，采用疲劳分析方法对在用螺栓进行疲劳分析，计算在用螺栓的疲劳损伤。根据由实验得到的不同温度、预紧力、载荷比等条件下的S-N疲劳曲线，采用线性累积损伤理论(Palmgren-Miner)并结合应力-寿命准则，计算在用螺栓在上述损伤情况下的剩余疲劳寿命。

2)在用螺栓蠕变寿命计算：根据由实验得到的不同温度、预紧力作用下螺栓的蠕变拉伸曲线，采用时间-温度参数法，也即Larson-Miller方法，计算在用螺栓结构的剩余寿命。

3)机械疲劳和蠕变耦合作用：将螺栓所受的机械疲劳损伤和蠕变损伤进行线性叠加，计算在交变载荷和高温工况共同作用下在用螺栓结构的剩余寿命。

4)综合评价方法。

螺栓寿命预测方法：a.采用线性累积损伤理论(Palmgren-Miner)并结合应力-寿命准则，计算在用螺栓在上述损伤情况下的剩余疲劳寿命；b.根据由实验得到的不同温度、预紧力作用下螺栓的蠕变拉伸曲线，采用时间-温度参数法，也即Larson-Miller方法，计算在用螺栓结构的剩余寿命；c.将螺栓所受的机械疲劳损伤和蠕变损伤进行线性叠加，计算在交变载荷和高温工况共同作用下在用螺栓结构的剩余寿命。

对于具有开裂敏感性的螺栓，参照GB 30579标准判断其开裂敏感程度，在计算寿命的基础上除以安全系数，弥补开裂造成的寿命损失。

3 螺栓法兰接头的安装流程

3.1 螺栓预紧力确定

螺栓紧固前，应首先根据设计要求、工艺参数、相关标准及规范等确定螺栓预紧力。其值应大于设计及相关标准规定的最小值，但一般不大于设计及相关标准规定的最大值。在任何情况下，螺栓预紧力都不能超过螺栓屈服极限强度、法兰刚度以及密封垫片的最大压溃力。

国内目前常用的预紧力计算方法主要有3种：第1种是基于GB 150的改进方法，该方法是以Waters研究成果为基础，以弹塑性力学的平板理论为基础，技术必须在预紧时使螺栓力在压紧面与垫片之间建立起不低于y值的比压力[4]；同时在设备工作时，螺栓力应能够抵抗内压的作用，并且在垫片表面维持m倍内压的比压力；第2种是基于ASME PCC-1的目标螺栓应力法[5]，以规定或选定螺栓材料屈服强度的某一百分数为安装需要达到的螺栓应力，从而计算出相应的安装螺栓载荷；第3种是目标垫片应力法，该方法依据垫片制造企业提供的产品需要的压缩垫片应力，从而给出不同压力等级法兰、螺栓材料和垫片类型的安装螺栓载荷或力矩表，与目标螺栓载荷法对应[6]。

通过3种方法的分析比较，基于GB 150改进的方法有显著优点。它考虑了开工期间冷、热环境造成的膨胀差对预紧力的补偿，以及垫片最大压溃应力对预紧力的限制，还将螺栓材料屈服强度的限制也纳入其中，因此建议利用该方法计算预紧力。

3.2 螺栓紧固方式的选择

常用的紧固方式通常有液压扭矩扳手、气动扭矩扳手、锂电池扭矩扳手及手动力矩扳手；高精度螺栓预紧力紧固方式有液压拉伸法、带机械式拉伸螺母的扭矩拉伸法、无反作用力臂扭矩拉伸法。

根据管道法兰泄漏风险的高低确定法兰紧固方式，法兰泄漏风险等级可以分为低、中、高风险3级：1)高风险法兰应选用高精度的螺栓预紧力紧固方式进行紧固；2)中风险法兰应选用高精度的螺栓预紧力紧固方式以及液压扭矩扳手、气动扭矩扳手、锂电池扭矩扳手进行紧固；3)低风险法兰采用普通预紧力控制紧固方式，包括扭矩法等。

3.3 螺栓的紧固安装

螺栓紧固安装也是决定管道法兰接头可靠性的一个关键因素[7]。在其中，除了紧固螺栓工具外，紧固螺栓的顺序、步骤和步骤载荷等对于垫片应力大小及其分布均匀性和法兰的偏转[8]，在保证法兰接头的完整性上也是极其重要的。

目前，工程应用中同时采用几个紧固工具同步紧固多个螺栓的方法可以减少对垫片的损伤，单一工具逐个交叉紧固方法相比更简单，且紧固效果更好[9]。这种方法通常用于炼油、石化和核电等重要设备场合。安装法兰接头还需要关注如下几点。

1)安装前检查、清理。

移去旧垫片，清除残留在法兰密封面上的旧垫片材料。检查法兰密封面有无裂纹、划痕(尤其是径向划痕)工具锤击痕迹、腐蚀凹坑等影响密封的缺陷。确认法兰密封面型式与所用的垫片型式相符，其表面粗糙度应与垫片类型相适配。除非金属平垫片外，全面或突面法兰密封面不应设有辅助密封线。法兰接头的密封面之间只允许安装一个垫片。确认紧固件、垫片符合设计要求的规格和材料检查紧固件，垫片有无裂痕、切屑、毛刺、锈蚀、毛边和其他损伤。清除所有存在于密封面、紧固件(包括螺栓、螺母和垫圈)上的锈迹、污垢和外来杂物。选择合适润滑剂并均匀地涂覆在螺栓、螺母和垫圈的承载表面，不要将润滑剂沾染在法兰密封面或垫片表面上。

2)法兰接头校正。

法兰中心线平行度、法兰端面的不平行度、螺栓孔和螺栓的错位、法兰的最大间隙应符合相关标准规范要求。

3)润滑。

润滑是紧固力矩有效性的重要保证。有效性意味着相同的紧固力矩用在润滑很差的紧固件上产生的预紧载荷将显著不同。使用规定的或认可的润滑剂，均匀地涂敷在螺栓和螺母的内外螺纹，以及螺栓头、螺母和垫圈的承载表面，并避免润滑剂沾染在垫片和法兰密封面上。润滑剂应适合紧固件材料、使用介质和使用温度。对于不锈钢材料的紧固件，应采用氯、氟、硫化合物含量低的润滑剂。

4)垫圈。

如前所述，螺栓头或螺母的承载表面与法兰表面之间的摩擦占剧了紧固扭矩损失的50%，因此对重要的场合推荐安装钢垫圈，这样为螺栓头或螺母提供光滑和低摩擦的承载表面，提高了力矩扳手的紧固效率，也减轻了对法兰和螺母承载表面的损伤[10]。

5)再紧固。

软质材料垫片泄漏的主要原因之一是垫片的蠕变松弛，这一影响在高温(特别是操作温度≥100 ℃)下随时间推移而逐渐积累，其后果是垫片上的压缩应力下降，增加了泄漏的可能性。因此，一般推荐在初始装配后24 h，以及在48和72 h后，将螺栓重新紧固到预定扭矩值(通常在室温下再紧固)。

4 管道法兰静密封完整性管理方法的应用效果与分析比较

利用本文中的管理方法对某炼油厂蒸馏装置管道法兰静密封点进行完整性管理实施，对缠绕式垫片和螺栓寿命进行了预测，该管理方法的应用效果良好，得到了装置管理人员的认可。

4.1 管道法兰静密封点数据管理的应用效果

利用管道法兰静密封点信息化系统完成某炼油厂蒸馏装置1 285条工艺管道的信息录入，利用数据库功能完成工艺管道的信息录入，通过管道位号可迅速查询管道的基本信息、对应密封点位置及类型以及组件信息。管道和密封点及组件信息如图4所示。

静密封点数据库模块还可实现管道密封点的可视化管理功能。根据管道单线图查找管道现场位置，由管道起点(或终点)出发，按照管道走向对其进行图像采集，直至管道终点(或起点)。重点采集密封点处的图像信息如图5所示。

a) 管道基本信息

b) 密封点及组件信息

a) 管道单线图

b) 管道起点 c) 管道走向1 d) 管道走向2 e) 管道终点

管道法兰静密封点数据管理的应用，将庞大的法兰密封点利用预先设定好的编号规则进行统计，再利用可视化功能详细地展现每个法兰密封的工况、参数等关键信息，通过快速的“模糊搜索”实现快速查询，从而提高设备管理的效率。

4.2 密封组件适用性评价和寿命预测的应用效果

结合炼化装置泄漏规律分析结果，对使用的垫片和螺栓进行寿命预测和适用性评价，为螺栓垫片的更换周期和适用性提供指导依据。以该装置的常减压为例，按照不同区域给出了高温螺栓法兰接头管道及其静密封件的类型(见表1)。

表1 不同区域高温螺栓法兰接头类型

分析表1可以发现，高温情况下的垫片会发生松弛、石墨氧化缺失等，因此，垫片的力学性能和密封性能下降，进而造成接头泄漏率超标，发生泄漏失效。

利用垫片加速寿命试验，预测垫片在当前工况下的使用寿命。试验介质：氦气。垫片类型：0Cr18Ni9+柔性石墨带，PN2.0 DN40的垫片，垫片带内环和定位环。试验条件：1)垫片室温下的氦气泄漏试验；2)垫片按照一定的温度和时间，在高温炉中(空气介质)开展时效试验，实验前测试垫片质量和尺寸(详细的直径及厚度尺寸)，试验具体过程本文不再赘述。

通过试验可以确定当前垫片在目前的环境下使用，若严格控制温度不超标、安装正确，则可以满足VOCs排放要求。

继续分析表1可以发现，使用的螺栓主要采用等长双头螺柱和Ⅱ型六角螺母，根据材质可以分为2种规格，其一材质为35CrMoA，公称直径为M20；另外一种螺栓材质为25CrMoVA，公称直径为M33。这两种螺栓采用螺栓拉-拉疲劳实验和理论分析相结合的方法开展剩余寿命研究。分析结果表明，该螺栓材料在较高的疲劳载荷作用下，疲劳寿命>2.7×106，具有较好的抗疲劳性能，能够满足目前的疲劳工况的使用。

密封组件适用性评价和寿命预测的应用，能够精确分析法兰密封点组件的有效性，判断组件是否会因高温、压力波动等工况的波动造成失效，提高设备管理的准确性，避免不必要的组件更换，达到降本增效的目的。

4.3 管道法兰结构防泄漏紧固施工的应用效果

以蒸馏装置某管道检修过程中开展的管道法兰结构防泄漏紧固施工为例。根据图样，螺栓标准为M36×650B(JB/T 4707—2000)，螺柱尺寸如图6所示，主要尺寸数据见表2。螺栓数量为72，螺栓/螺母材料为35CrMoA/30CrMoA，腐蚀裕量为0。

图6 B型螺柱

表2 螺栓尺寸

法兰连接如图7所示，为凹凸面密封型式。

图7 管箱法兰尺寸图

通过输入法兰密封结构的基本信息、螺栓参数、垫片参数、法兰参数、补偿温差等参数，应用计算机软件，根据GB 150的要求，精确计算出螺栓最大预紧力、法兰最小预紧载荷、法兰密封最小螺栓载荷、螺栓预紧力矩等数值，螺栓预紧力矩计算结果如图8所示。在完成紧固后，对密封部位进行VOC检测，检测结果符合要求，均为0 ppb。

图8 螺栓预紧力矩

管道法兰结构防泄漏紧固施工的应用，明确了螺栓预紧力，规范了现场安装施工流程，确保了安装的有效性，避免了装置开工过程中因安装施工不规范导致的泄漏发生，降低了开停工的成本。

4.4 管道法兰静密封完整性管理方法的应用比较

利用本文中的管理方法对某炼油厂蒸馏装置管道法兰静密封点进行完整性管理实施，统计应用前后各一年的数据进行应用比较，证明该方法具有良好的效果。

1)法兰静密封泄漏率。

统计数据见表3，通过管道法兰静密封完整性管理方法的应用使法兰静密封泄漏率下降了近一半。

表3 法兰静密封泄漏率对比

2)管理效率。

数据化信息管理提高了管理效率，降低了劳动成本。以确定不同的5条管道上的20个法兰静密封点的参数为例，应用前需要查询档案库中的设计资料、施工资料等，应用后只需按照编号规则进行模糊查询，统计用时如图9所示，节约时间高达90%。而且利用数据库对历史发生泄漏进行系统统计，提高对密封点发生预测，降低泄漏损失。

图9 数据查询时间对比

3)紧固施工合格率。

在该方法应用前，发现由于传统紧固施工不考虑法兰密封点使用时的温度影响，导致高温(>250 ℃)安装过紧拆卸困难，而低温工况的又需要二次把紧，以及振动法兰静密封点螺栓松动等问题，造成紧固施工的合格率较低，仅有80%。利用该方法的一年中，由于计算紧固力矩考虑使用温度，安装过程规范化、标准化，紧固施工合格率提升至95%。

4)法兰静密封点组件更换的准确性。

使用该方法前，法兰静密封点组件如垫片和螺栓，均为计划性更换。统计数据发现，更换时大量的垫片和螺栓均依旧有效、能够使用。利用本文方法通过风险评估将所有的密封点进行风险分级，并对中高风险密封点进行统计，再根据寿命预测进行更换周期的确定。精准定位了需要更换的密封点和更换周期。避免密封点的更换数量过剩或不足，实现了精准管理和降本增效。

5 结语

通过对炼化装置管道法兰静密封完整性管理方法的研究，成功建立了以物流回路为基础的密封点信息化完整性管理方法，解决了成套装置工业管道法兰静密封数量多、管理难度大的问题。提出泄漏机理分析和统计学方法相结合的密封组件寿命评价方法，解决了在用管道法兰静密封接头密封件寿命预测技术中，按照传统实验方法无法满足理论和现场实际相结合的问题。优选了螺栓法兰接头紧固力矩计算方法，规范化紧固施工过程，解决了紧固施工的问题。对规范装置的泄漏管理、控制静密封接头泄漏导致的潜在风险以及提高静密封管理水平具有重要作用。