煉化裝置法蘭接頭泄漏風險的源頭控制

李崇勇張雅新張 光（.中國石油遼陽石化公司機械廠 遼陽 003)(.遼陽石化公司機動設(shè)備處 遼陽 003）

煉化裝置法蘭接頭泄漏風險的源頭控制

李崇勇1張雅新2張 光1
（1.中國石油遼陽石化公司機械廠 遼陽 111003)
(2.遼陽石化公司機動設(shè)備處 遼陽 111003）

泄漏風險控制是煉油化工等工業(yè)面臨的科學永續(xù)發(fā)展中HSE的重要課題，解決這一問題要從過程設(shè)備的設(shè)計做起。依據(jù)工程實例和規(guī)程標準從法蘭接頭設(shè)計的三要素切入，通過對熱媒蒸發(fā)器的管箱法蘭與殼體法蘭所夾持的管板連接密封面泄漏進行分析討論，給出了蒸發(fā)器法蘭接頭的設(shè)計改進方案，建議煉化裝置中法蘭接頭泄漏風險的控制應注重法蘭結(jié)構(gòu)與墊片及緊固件的合理匹配：對于苛刻工況的法蘭接頭設(shè)計，應優(yōu)先選用標準長頸對焊法蘭和已有成功應用經(jīng)驗的標準墊片，合理選擇緊固件并在設(shè)計文件中給出螺栓的設(shè)計載荷及擰緊技術(shù)要求，以指導用戶安全使用。

法蘭接頭 泄漏 設(shè)計控制

煉油化工裝置的“跑冒滴漏”大多源于過程設(shè)備與管道中的法蘭接頭（法蘭+墊片+緊固件）。法蘭接頭泄漏不僅浪費資源，而且污染環(huán)境甚至釀成中毒或爆炸事故危及生命財產(chǎn)的安全，并且法蘭接頭泄漏失效往往被設(shè)備設(shè)計所忽視。所以，有必要以工程案例和規(guī)程標準對法蘭接頭泄漏與控制進行討論，從設(shè)計源頭防止泄漏風險。

1　法蘭結(jié)構(gòu)設(shè)計

以熱媒蒸發(fā)器的管箱法蘭與殼體法蘭所夾持的管板連接密封面泄漏為例進行分析討論。熱媒蒸發(fā)器為BKU800/1500-0．7/0．3-120-3．8/19-4I型[1]，其技術(shù)特性見表1。

表1　熱媒蒸發(fā)器技術(shù)特性

蒸發(fā)器為4管程，管板與管箱和殼體的連接方式采用a型——管箱法蘭-管箱墊片-管板-殼體墊片-殼體法蘭通過緊固件連接，較一般的法蘭接頭——法蘭-墊片-法蘭的緊固件連接多了一件管板和墊片。原設(shè)計選用管箱法蘭與殼體法蘭為JB/T 4703[2]的法蘭T800-2．5/16MnⅡ，管板為G面/16MnⅡ，管箱墊片為金屬包墊片（S30408包柔性石墨），殼體墊片則選為JB/T 4706的墊片G800-2．5，螺柱選為JB/T 4707的M24/35CrMoA，螺母為GB/T 6170的M24/30CrMo。制造經(jīng)水壓試驗及氣密性試驗檢驗合格出廠，在裝置開工后發(fā)現(xiàn)管箱法蘭與管板密封處底部泄漏。

此蒸發(fā)器雖然工作壓力較低，但介質(zhì)可燃易爆且滲透性強，工作溫度較高，操作工況苛刻，加之管板與管箱和殼體的連接方式采用a型，設(shè)計根據(jù)管殼式換熱器標準，不僅將管箱法蘭與殼體法蘭選用了長頸對焊法蘭，而且尚選用了公稱壓力等級較高、密封面為榫槽形式。查JB/T 4700中表7得350℃溫度下16Mn材料PN1．0級時法蘭的最大允許工作壓力為0．81MPa，滿足管程最高設(shè)計壓力0．7MPa的要求；就是考慮水壓試驗壓力1．1MPa的需要，選用PN1．6級法蘭也能滿足水壓試驗強度要求（此時-20～200℃的最大允許工作壓力為1．6MPa）；而設(shè)計選擇PN2．5級法蘭時350℃溫度下最大允許工作壓力為2．04MPa。設(shè)計如此提高壓力等級選用管箱法蘭和殼體法蘭，是考慮了多管程管箱法蘭的密封強度與剛度的要求[3]以及裝置開工升溫過程為避免螺栓連接法蘭密封泄漏而需適當增大初始預緊力或再次熱緊所預留的法蘭強度與剛度。因為，影響法蘭強度與剛度的法蘭結(jié)構(gòu)尺寸如錐頸高度、小端/大端厚度、內(nèi)/外徑及法蘭厚度等PN2．5級較PN1．0級除內(nèi)徑相同外均偏大，而PN2．5級較PN1．6級的法蘭結(jié)構(gòu)尺寸則是法蘭厚度厚10mm，螺柱數(shù)量多8個，并且螺柱材料尚提高一級。經(jīng)校核計算表明，管箱法蘭和殼體法蘭的強度與剛度均滿足設(shè)計要求。

如此可見，法蘭接頭的密封性能首先取決于法蘭的結(jié)構(gòu)形式[4]，鑒于長頸對焊法蘭與圓筒或接管采用對接接頭焊接，其剛性好強度高，適用于壓力、溫度較高及直徑較大的場合和密封要求嚴格的高毒（毒性為極度和高度危害）、易爆或滲透性強的介質(zhì)及劇烈循環(huán)的工況。所以，管殼式換熱器標準中的容器法蘭均采用長頸對焊法蘭，并優(yōu)先選用JB/T 4703容器法蘭標準。容器法蘭標準可稱為壓力容器零部件標準的典范，不僅考慮了腐蝕裕量，就連頸部的圓角R也考慮得如此精確，以安裝緊固件的螺母，更方便容器設(shè)計的選用，并且選用標準法蘭可免除GB 150《壓力容器》的相關(guān)計算。

相對容器法蘭，管法蘭接頭的密封性能也應根據(jù)設(shè)計條件、介質(zhì)特性及密封要求等因素綜合考慮法蘭與墊片及緊固件的合理匹配，并注重經(jīng)工程使用經(jīng)驗完善的相關(guān)規(guī)程標準中規(guī)定。如《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》（簡稱《固容規(guī)》）對壓力容器用管法蘭強制規(guī)定[5]：盛裝液化石油氣、毒性程度為極度和高度危害介質(zhì)以及強滲透性中度危害介質(zhì)的壓力容器，其管法蘭應按照HG/T 20592～20635系列標準的規(guī)定，至少應用高頸對焊法蘭、帶加強環(huán)的金屬纏繞墊片和專用級高強度螺柱組合。而HG/T 20583更是對管法蘭明確規(guī)定[6]，容器的接管法蘭及其墊片和緊固件應優(yōu)先選用HG/T 20592～20635系列標準，并對管法蘭選擇提出詳細要求：容器內(nèi)毒性為極度和高度危害介質(zhì)以及強滲透性介質(zhì)的接管法蘭的公稱壓力等級應選用不低于2．0MPa；容器內(nèi)介質(zhì)毒性為極度和高度危害或有強滲透性的中度危害和介質(zhì)為液化石油氣時，接管法蘭應采用帶頸對焊法蘭；低溫或高溫或疲勞容器以及第Ⅲ類壓力容器的接管法蘭宜采用帶頸對焊法蘭。HG/T 20592～20635則規(guī)定[7]：在劇烈循環(huán)工況下，應選用帶頸對焊法蘭。這都是工程應用中經(jīng)驗教訓的結(jié)晶，值得吸取。

法蘭接頭的密封性能除了靠影響法蘭強度與剛度的結(jié)構(gòu)尺寸保證外，尚與墊片匹配的法蘭密封面形式及表面粗糙度密切相關(guān)。蒸發(fā)器設(shè)計選用法蘭/管板的密封面為T/G面是可取的，這對管箱墊片與殼體墊片的對中安裝從而保證密封性能要比FM/M面為好，尤其是對強滲透性介質(zhì)工況選T/G面為宜。但設(shè)計選用墊片為金屬包墊值得商榷，并且設(shè)計對管箱焊后消除應力熱處理的法蘭密封面及管板密封面均未提出相應的硬度要求，而相關(guān)標準顯示，包覆層不銹鋼板硬度的最大值為187HB[7]，高于16MnⅡ的硬度最大值180HBW[8]。另一方面，施工圖中與金屬包墊相匹配的密封面粗糙度也不符合密封要求，因為相關(guān)標準要求與金屬包墊相匹配的密封面粗糙度為Ra1．6[6-7]，而管箱圖樣對密封面的粗糙度要求卻沿用了JB/T 4703法蘭中的Ra6．3（這正好符合纏繞墊或波齒復合墊的密封面粗糙度要求），管板圖樣卻沒有加工表面粗糙度標注，這些紕漏直接影響法蘭密封的使用性能，應引起注意。

2　墊片合理選擇

另一個影響法蘭接頭密封性能的關(guān)鍵要素是墊片。因為，法蘭接頭介質(zhì)泄漏或通過墊片滲漏或通過墊片與法蘭密封面間接觸面泄漏。蒸發(fā)器設(shè)計選用管箱墊片與殼體墊片為金屬包墊（S30408包柔性石墨），雖然能有效防止墊片本身的滲漏，但由于金屬包墊屬于金屬對金屬的密封面間接觸密封，在預緊和操作過程中其填充石墨往往被壓壞而失去作用，導致金屬包墊彈性減小而容易喪失密封性能，并且因包覆層金屬板的表面質(zhì)量及其拼接接頭的焊接質(zhì)量等問題而影響密封的可靠性。同時，金屬包墊不僅對法蘭等密封面的表面粗糙度要求較高如對不銹鋼板至少為Ra1．6，而且尚要求包覆層金屬板硬度應低于法蘭等密封面。所以，蒸發(fā)器選用的金屬包墊質(zhì)量缺陷以及與之匹配的法蘭和管板密封面的表面粗糙度及硬度的不適應是導致管箱法蘭與管板密封處泄漏的原因之一。這就提示容器設(shè)計者，合理選擇與法蘭密封面相匹配的墊片格外重要，需要源于工程經(jīng)驗而完善的相關(guān)標準的支持。

石墨纏繞墊雖回彈性較金屬包墊好并對密封面要求較低而廣泛應用于管殼式換熱器，但同樣也存在“壓潰”、“失穩(wěn)”及“散架”等問題[9]。盡管帶內(nèi)外加強環(huán)（起對中和限制墊片受壓時向內(nèi)、外變形等作用，且尚可限制軸向過分擠壓金屬帶以防止墊片比壓的減?。┑睦p繞墊能體現(xiàn)其性能，但不帶外加強環(huán)的墊片受壓時外緣金屬帶的焊點易被拉脫而使墊片潰散破壞即“壓潰”，而不帶內(nèi)加強環(huán)的墊片受壓時產(chǎn)生向內(nèi)凹陷的破壞即“失穩(wěn)”，并且生產(chǎn)、運輸和安裝中易松散損壞即“散架”。此外纏繞墊標準本身也存在不完善[10]：1）纏繞墊標準未給出成型鋼帶的幾何尺寸，只規(guī)定纏繞用鋼帶厚度的范圍值0．15～0．25mm，而未對繞帶的V角等具體規(guī)定；2）未參照API標準規(guī)定“纏繞墊密封面兩側(cè)非金屬帶均勻突出金屬鋼帶0．15mm”而影響墊片的密封性能；3）其它技術(shù)要求按GB/T 4622．3，則不方便用戶對纏繞墊的質(zhì)量直觀檢驗與驗收。為此，相繼產(chǎn)生了替代前兩者的并有成功使用經(jīng)驗的波齒復合墊[11-12]。

波齒復合墊是在波齒金屬上復合柔性石墨，具有良好的壓縮-回彈特性，較纏繞墊穩(wěn)定可靠，目前已列入GB 150中的常用墊片，成為大直徑管法蘭和壓力容器尤其是換熱器法蘭普遍使用的墊片，適用于高溫、高壓和工況波動的場合。所以，本案例蒸發(fā)器的墊片選用完全可以考慮波齒復合墊。

可見，法蘭接頭中墊片（型式與材料）的合理選用，應根據(jù)使用工況（介質(zhì)、壓力、溫度）及密封要求，并考慮與法蘭密封面形式及粗糙度相適應，注重從工程應用經(jīng)驗修訂完善的相關(guān)標準。如HG/T 20583對墊片選用做出的規(guī)定：壓力容器法蘭用墊片與介質(zhì)等參數(shù)的匹配可參照附錄A；管法蘭用墊片與介質(zhì)等參數(shù)的匹配可參照附錄B；常用金屬和非金屬墊片的耐化學品性能可參照附錄C；常用金屬墊片使用的物理性能參照附錄D；壓力和溫度低的場合宜采用非金屬軟墊片和金屬包覆墊片；壓力和溫度高的場合宜采用金屬墊片和金屬復合墊片或金屬纏繞墊片；壓力和溫度有波動的場合宜采用回彈性好的和具有一定自緊式墊片等等。

3　緊固件的要求

法蘭接頭的密封通過緊固件壓緊墊片來實現(xiàn)。所以，緊固件的合理選配及裝配擰緊要求對法蘭接頭的密封性能至關(guān)重要，需要容器設(shè)計經(jīng)過校核計算后確定螺柱/螺母的材料、規(guī)格及數(shù)量等，以得到合適的預緊力，在滿足法蘭強度和剛度要求同時又不會壓壞墊片的前提下，建立初始密封條件和操作密封條件，從而達到法蘭接頭的密封要求。

蒸發(fā)器設(shè)計選用螺柱選為JB/T 4707的M24 /35CrMoA，螺母為GB/T 6170的M24/30CrMo。按JB/T 4700-表2中的法蘭接頭材料匹配要求，由JB/T 4700-表4知螺柱材料選為40MnB即可，但設(shè)計卻提高一級選用35CrMoA，致使實際螺栓總截面積是所需螺栓總截面積的1．9倍[13]。設(shè)計選用高強度等級螺柱，可能是考慮了裝置開工升溫過程為避免螺栓法蘭連接密封泄漏而再次熱緊所預留的螺柱強度，但施工圖中卻并未提出相關(guān)的法蘭螺栓再次熱緊要求的技術(shù)說明，致使用戶使用時未能及時在升溫過程對蒸發(fā)器管板法蘭的螺栓連接進行熱緊，這是蒸發(fā)器管箱法蘭與管板密封處泄漏的又一原因。

由于法蘭標準JB/T 4703和法蘭計算GB 150[14]及GB 151等相關(guān)標準均未提出低溫或高溫工況時溫度載荷對螺栓法蘭連接密封性能的影響要求，致使壓力容器尤其是管殼式換熱器設(shè)計施工圖也沒有表達出對螺栓法蘭連接密封再次緊固（冷緊或熱緊）要求的技術(shù)說明，使得用戶制定的操作規(guī)程對開工運行升溫過程的熱緊無章可循，或只能作出定性說明并不斷積累經(jīng)驗加以完善[15]：“工作溫度超過250℃時，螺栓應該進行熱緊，如工作溫度250～350℃時，需要兩次熱緊，即到200℃時作一次熱緊，達工作溫度時再作二次熱緊?！虿粺峋o或熱緊不合理而發(fā)生泄漏的現(xiàn)象很多”?？梢?，用戶渴望壓力容器設(shè)計文件對此給出明確的使用說明。

4　結(jié)束語

綜上討論得出蒸發(fā)器法蘭接頭的設(shè)計改進方案：鑒于法蘭強度與剛度及緊固件等均能滿足密封要求，只需對法蘭和管板的密封面表面粗糙度及硬度根據(jù)所選用墊片作出相應完善，將墊片改選為波齒金屬復合柔性石墨墊片，并對緊固件的擰緊程度及開工運行中的熱緊操作提出相應技術(shù)要求。由此建議煉化裝置防止法蘭接頭泄露風險應從設(shè)計源頭控制：

1）法蘭接頭應根據(jù)工況條件、介質(zhì)特性及密封要求等因素綜合考慮法蘭與墊片及緊固件的合理匹配，注重采用源于工程經(jīng)驗而完善的相關(guān)標準；

2）苛刻工況法蘭接頭中的法蘭應優(yōu)先選用標準長頸對焊法蘭，使法蘭強度與剛度及緊固件符合GB 150的要求，同時要求法蘭密封面的表面粗糙度及硬度與所選用的墊片相適應，密切關(guān)注標準動態(tài)合理選用標準墊片；

3）合理確定螺栓設(shè)計載荷以滿足法蘭接頭的初始密封條件和操作密封條件要求，并在設(shè)計文件中提出緊固件擰緊程度如熱緊的技術(shù)說明，以指導用戶安全使用。

[1] GB 151—1999 管殼式換熱器[S].

[2] JB/T 4700～07-2000 壓力容器法蘭[S].

[3] 樊得靈. 多管程管殼式換熱器管箱法蘭的強度計算[J]. 石油化工設(shè)備，1991，20(6)：28-31.

[4] 李世玉. 壓力容器設(shè)計工程師培訓教程[M]. 北京：新華出版社，2005.

[5] TSG R0004—2009 固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程[S].

[6] HG/T 20583—2011 鋼制化工容器結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)定[S].

[7] HG/T 20592～20635—2009 鋼制管法蘭、墊片、緊固件[S].

[8] NB/T 47008—2010 承壓設(shè)備用碳素鋼和合金鋼鍛件[S].

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[12] 謝智剛. 大型乙烯裝置的靜設(shè)備特點綜述[J]. 石油化工設(shè)備技術(shù)，2011，32(05)：6-9+12+3.

[13] SW6——2011過程設(shè)備強度計算軟件[Z].

[14] GB 150—2011壓力容器[S].

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Source Control of Leaking Risk of Flange Joints in Petrochemical Unit

Li Chongyong1Zhang Yaxin2Zhang Guang1
(1. Petrochina Liaoyang Petrochemical Company Machinery Factory Liaoyang 111003)
(2. PetroChina Liaoyang Petrochemical Company Machinery and Equipment Division Liaoyang 111003)

It is an important problem of HSE to control the leaking risk for petrochemical industry and others in the science of sustainable development. To solve this problem, it should begin from the process equipment design. Taking the three factors of flange joints design as the breakthrough point on the basis of the engineering examples and regulations, this paper discusses and analyzes the seal leakage of tube-sheet joints held by channel flange and shell flange of HTM evaporator, design changes are devised for flange joints. It is suggested that flange construction and gasket and fasteners should be reasonably matched for the control of leaking risk of flange joints in petrochemical unit. For flange joints design under severe working condition, not only first select standard welding neck flange and gasket and fasteners properly with the successful application experiences, but also provide bolt design loads and technical requirements of bolt tightening to instruct users in the safe usage.

Flange joints Leak Design control

X923

B

1673-257X(2016)01-0028-04

10．3969/j．issn．1673-257X．2016．01．007

李崇勇(1982～)，男，本科，工程師，從事壓力容器建造工作。

（2015-05-04 ）