锅炉给水预热器管箱法兰泄漏原因分析

符世旭

(曲靖重型机械制造有限公司，云南 曲靖 655000)

某公司锅炉给水预热器是甲醇工艺生产装置的重要设备。该设备在投用6年后，管箱法兰密封面在运行中出现不同程度的泄漏，现场经多次反复处理，均不能有效解决泄漏问题。由于泄漏物质为易燃易爆的介质，不仅造成物料的浪费，而且严重影响生产工艺装置的安全稳定长周期运行。我公司应业主要求对该设备的泄漏故障进行处理。通过对该设备结构及运行故障情况进行现场勘察分析，提出相应改进处理建议措施，实施后达到预期效果。

1 设备结构及工艺参数简介

该设备结构形式为U形管壳式热交换器，管箱为带分程隔板的双管程结构；管箱与管板连接采用法兰连接，管板采用固定管板兼做法兰形式，管板与壳程筒体连接采用焊接连接结构。管箱与管板连接结构见图1。

图1 管箱与管板连接结构

管箱法兰采用压力容器标准法兰，规格为JB/T 4703-2000 PN 6.3 MPa DN 800 mm，材质为 16 Mn 锻件堆焊321材料，密封型形式为凹凸密封；垫片为带内加强环的不锈钢柔性石墨缠绕垫片，厚度为 4.5 mm；螺栓规格为M36，数量36颗，材料为35CrMoA；管板材料为06Cr18Ni11Ti锻件[1]，厚度 140 mm；管箱筒体及封头材料为06Cr18Ni11Ti，厚度为 12 mm。锅炉给水预热器的设备工艺参数见表1。

表1 锅炉给水预热器的工艺参数

2 管箱法兰泄漏情况

该设备自投用以来，管箱法兰密封面在每次重新开车后均出现不同程度的泄漏，现场多次对管箱密封面进行修复，更换新缠绕垫片，二次紧固螺栓等，但均不能有效解决该设备法兰的泄漏问题[2]。在装置停车期间，对设备管箱多次进行开盖检查，发现密封面除局部有压痕外基本完好，但缠绕垫片出现局部被压溃、散架、内加强环与垫片密封部分已分离等损坏情况(图2)。从以往采取措施的实施效果来看，结果不太理想，因而本次处理很有必要对该设备管箱法兰泄漏的原因作进一步分析，以便采取更为合理的解决措施。

3 管箱法兰泄漏原因分析

针对该设备管箱法兰的泄漏问题，本文对管箱法兰泄漏的原因进行分析。

3.1 设计方面

影响法兰连接密封的因素，与法兰及垫片、螺柱螺母的设计选用是否合理有关。因此，首先应对该设备管箱法兰、垫片和螺栓的设计进行复核。根据原设备图，管箱法兰设计按压力容器标准法兰(JB/T 4703-2000，法兰FM 800-6.4)，法兰材质为16Mn锻件，螺栓材质为35CrMoA，垫片为柔性石墨缠绕垫片，设备管程设计压力为 4.1 MPa，设设计温度为 380 ℃。根据原设备的设计压力、设计温度等参数，对该设备原设计的管箱法兰及其垫片螺栓，按JB/T4703-2000压力容器法兰的规定进行复核。按压力容器标准法兰选用要求，法兰选用的压力等级在设计温度下相应材料的最大允许工作压力应大于其使用条件的设计压力要求。根据原设备管箱法兰的材质16Mn锻件及其压力等级 6.4 MPa，经查标准得知，在设计温度下该设备法兰的最大允许工作压力为 5.04 MPa，大于其工作条件下的设计压力 4.1 MPa，说明该容器法兰按标准选用是满足标准要求的。此外，根据压力容器法兰标准中法兰、垫片及螺柱螺母材料匹配选用表，对原设计选用的螺柱及垫片进行复核，原设计螺柱材质选用35CrMoA、垫片选用材质柔性石墨缠绕垫片满足标准要求。由此说明原设备管箱法兰及其垫片螺柱螺母设计均满足JB/T 4703-2000压力容器法兰标准要求的。

3.2 操作温差影响

虽然原设备设计时容器法兰及其垫片、螺柱、螺母的设计均满足相应标准的要求，然而由于法兰设计标准计算的理论力学模型是按照密封面上的压紧力沿法兰圆周周向均布载荷考虑的，没有考虑法兰圆周周向载荷分布不均的影响，以及存在较大温差情况。该设备管箱结构为带分程隔板的双管程结构，且两管程之间温差较大，达 146 ℃(进口侧温度为 170 ℃，出口侧温度为 316 ℃)，且由于管箱隔板的存在，导致管箱隔板两侧温度不同产生较大的温差。此温差的存在使得温度较低的一侧管箱变形较小，温度较高的一侧管箱变形较大，从而引起管箱法兰密封面的变形翘曲；同时温差载荷的存在使得螺栓在整个圆周方向沿轴向的热膨胀被拉伸变形不一致，引起垫片上的螺栓压紧力沿圆周向分布不均匀；再加上介质压力作用，使法兰及管板密封面之间发生分离，最终由于垫片上残余压紧力沿周向分布极不均匀，局部的残余压应力小于工作密封比压，即密封面与垫片之间存在局部压紧力不足而引起管箱法兰密封面的泄漏。

3.3 管箱结构

对带分程隔板的管箱法兰来说，由于隔板的存在，使得隔板处管箱法兰局部刚度变大，法兰隔板附近变形小于远离隔板处，在内压作用下，垫片上的压紧力沿圆周的分布以隔板中面对称分布，隔板附近密封面上垫片的压紧力小于其他远离隔板垂直面处而不利于法兰密封[3]。此外，在管箱隔板两侧温差较小时，隔板两侧密封面变形的差异较小不影响法兰的密封，而在温差较大时，在温差与隔板存在的共同影响下，在靠近分程隔板处因温度梯度突变将存在两个对称的垫片残余比压明显较低的区域，其最低值位于两螺柱之间，此区域较易发生法兰密封面泄漏。

4 改进措施

根据上述分析结果，提出相应改进措施。

1)对管箱法兰及管板密封面进行机加工修复处理，消除密封面因翘曲变形引起的不平整及其他影响密封的缺陷；其次使管箱法兰的隔板密封面低于法兰密封面 0.5 mm，使之与法兰密封面不处于同一平面内，以减小隔板对法兰密封的影响。这样既可免于使螺栓载荷损耗在此垫片上，又不会对隔板密封面的内漏产生大的影响。

2)对于温差较高且带分层隔板的管箱法兰连接密封，设计时在满足法兰刚度和螺栓间距及所需螺栓截面积的情况下，应尽量采取适当增加螺栓数量的方法，来保证垫片上的压应力沿圆周方向均匀分布，使两螺栓中间的垫片压紧力与螺柱位置的压紧力尽可能均匀，以避免法兰圆周方向两螺柱之间发生泄漏。

3)参考金属齿型复合垫片在其它化工装置高温高压场合的应用经验，采用化工设备计算软件SW6对管箱法兰密封垫片改为柔性石墨金属齿形复合垫片进行校核计算。其核算结果满足工况要求，因而将原设备设计的金属缠绕垫片改为金属齿形复合垫片。将原设计垫片改为金属齿形复合垫片，一方面可利用金属齿形复合垫片的金属整体结构及压缩回弹性能较好优点，避免了金属缠绕垫片在安装使用中容易因螺栓压力过大导致垫片被压溃、散架的缺点；另一方面对于已投入实际运行的设备，采用压缩回弹性能较好的柔性石墨金属齿型复合垫片代替原金属缠绕垫片，是一种简单易行、经济合理的解决方案。

4)进行必要的热紧。根据该管箱法兰操作温度高且温差大的特点，参考GB 50461-2008《石油化工静设备安装工程施工质量验收规范》规定，在设计压力≤6 MPa，操作温度250～350 ℃ 范围时，应在最大内压力 0.3 MPa 下，达到操作温度 24 h 后进行热态紧固要求，因此对该管箱法兰螺栓提出进行热态紧固处理。

5)针对该设备管箱结构因隔板的存在及较大操作温差，导致法兰密封面变形以及垫片上要求残余压紧力沿周向分布不均匀的问题，若采取上述改进措施后法兰泄漏的处理效果仍不理想，可将原设计螺柱采取增加弹性元件改为带碟簧垫圈螺柱的措施，利用弹性垫圈优异的回弹性能来补偿因温差、压力引起的密封面分离及隔板存在导致的密封系统压应力松弛的影响，使垫片维持足够的工作比压，解决垫片残余应力下降造成法兰泄漏的问题。

对上述改进措施进行分析可知，增加螺栓数量的改进措施对新设计或重新设计的设备可行，但对已投入实际运行的设备来说需要重新设计更换新设备显得不经济，这是采取其它改进措施无效的情况下才会考虑的方案。而将螺柱改为带碟簧垫圈螺柱的改进措施，因增加碟簧垫圈后需配置配套的螺柱，因而不是首先考虑应采取的改进措施。根据该设备的现有实际情况，以及对设备改动投入较少的思路，公司与业主方相关人员综合考虑决定对该设备管箱法兰密封泄漏的改进处理措施分两阶段实施：

第一阶段，首先对密封面进行机加工修复处理，消除密封面的翘曲和压痕等影响密封可靠性的缺陷；其次将原缠绕垫片更换为新设计的柔性石墨金属齿形复合垫片，再次在设备开车前对该设备的管箱法兰采取热态紧固处理措施。

第二阶段，若按上述要求实施改进措施后效果不好的情况下，再将法兰螺栓改为带碟簧垫圈的螺柱，以弹性元件的回弹性来补偿因法兰和垫片之间松弛，使垫片维持足够的工作比压，解决法兰密封泄漏的问题。

改进方案经公司及业主方确认后，按第一阶段要求实施处理后运行至今，期间经历了装置开停车检验，该设备管箱法兰密封未发现过泄漏。经运行实践验证按第一阶段的改进措施实施效果良好，经采取改进处理措施后达到了预期效果，同时第二阶段改进措施就没有实施的必要，从而解决了困扰公司生产装置运行的难题。

5 结束语

压力容器标准法兰设计计算采用的理论力学模型是按照密封面上的压紧力沿法兰周向均匀分布载荷考虑的，本文中类似换热器管箱法兰密封系统的实际受力状态与压力容器标准法兰设计计算的理论力学模型是有差异的。压力容器标准法兰设计时没有考虑法兰沿圆周温度分布存在梯度以及隔板槽存在的特殊情况影响，在实际工程设计中遇到此类设计问题时，仍然按常规法兰设计方法来处理是不恰当的，应充分考虑设备的操作工况及具体结构特点，深入分析设备结构受力状态，必要时对此类法兰设计应通过应力分析计算，以便采取一个合理的解决方案，才能保证设备的运行可靠性，避免设备投用后给生产装置的运行带来故障和安全隐患。