優(yōu)化法蘭螺栓緊固方法促進(jìn)揮發(fā)性有機(jī)物減排

張紹良， 王劍波

(1.中海油惠州石化有限公司， 廣東 惠州 516086； 2.凱特克集團(tuán)有限公司， 上海 200063)

隨著石化裝置的大型化，泄漏問題越來越引起人們的重視。泄漏不僅造成物料的損失、環(huán)境的污染，還可能導(dǎo)致人身和裝置安全事故。由腐蝕引發(fā)的揮發(fā)性有機(jī)化合物( VOCs)泄漏多為偶發(fā)，主要發(fā)生在石化裝置設(shè)備、管閥件及法蘭等部位。VOCs作為石化企業(yè)生產(chǎn)過程的特征污染物，其主要的排放源為無組織排放。自2014-12環(huán)保部發(fā)布《石化企業(yè)揮發(fā)性有機(jī)物綜合整治方案》(環(huán)發(fā)[2014]117號)[1]以來，如何減少VOCs的排放達(dá)到減排目標(biāo)，成為企業(yè)普遍關(guān)注的問題[2]。

針對石化企業(yè)的無規(guī)律泄漏現(xiàn)狀，國外通常采取的措施是從排放源入手減少泄漏，即對設(shè)備可能的泄漏排放點(diǎn)進(jìn)行直接檢測然后實(shí)施修復(fù)，即泄漏檢測修復(fù)(LDAR, Leak Detection And Repair)技術(shù)[2-3]。此技術(shù)的實(shí)施效果與采用的泄漏修復(fù)方法關(guān)系極大。文中主要討論泄漏修復(fù)過程中法蘭緊固應(yīng)注意的問題以及如何采用先進(jìn)的、正確的緊固方法達(dá)到降低VOCs排放的目的。

1 法蘭密封影響因素

壓力邊界條件下的法蘭連接是由法蘭、密封墊片和緊固件3部分構(gòu)成的一個(gè)有機(jī)整體，法蘭的密封性能受多種因素的影響，因此對于泄漏原因的分析也應(yīng)該從這些因素入手。

1.1 主要因素

法蘭的密封管理是一個(gè)系統(tǒng)的工程，包括了設(shè)備法蘭及螺栓的力學(xué)性能、密封面的精度和形式、墊片的質(zhì)量和性能以及設(shè)備在操作運(yùn)行條件下的螺栓預(yù)緊力等因素，任何一個(gè)環(huán)節(jié)的疏忽都可能成為設(shè)備可靠運(yùn)行的潛在風(fēng)險(xiǎn)[4]。設(shè)備法蘭及螺栓的力學(xué)性能主要考慮材料的選擇、法蘭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的剛度及密封面的表面精度要求。密封墊片的選擇主要在設(shè)計(jì)階段考慮，現(xiàn)場施工需要嚴(yán)格監(jiān)管，確保實(shí)際情況與設(shè)計(jì)一致。

設(shè)備操作運(yùn)行條件下螺栓預(yù)緊力是影響法蘭密封的最重要因素，螺栓通過不同的緊固手段被拉長后產(chǎn)生的回彈力將法蘭面以及其中的密封墊片夾緊。如果螺栓預(yù)緊力不夠均勻或不夠精確就會(huì)造成密封面在整個(gè)圓周上受到的壓緊力不均勻，從而形成潛在的泄漏風(fēng)險(xiǎn)。為了保證在法蘭緊固完成之后盡可能地消除潛在的泄漏風(fēng)險(xiǎn)，就應(yīng)該從大修拆開法蘭的那一刻開始到大修完成試壓為止，從以上各個(gè)方面進(jìn)行質(zhì)量管控，在實(shí)施法蘭緊固的過程中對每個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行精細(xì)化管理，否則就有可能埋下泄漏的隱患。

1.2 關(guān)鍵因素

密封墊片在組成法蘭連接的3個(gè)重要部件(法蘭、緊固件和密封墊片)中強(qiáng)度最弱，因此在確認(rèn)法蘭連接的強(qiáng)度是否足以保證被其封閉在裝置內(nèi)部的介質(zhì)不會(huì)泄漏的過程中，考證密封墊片是否在正常的工作范圍至關(guān)重要。

密封墊片有2個(gè)重要的參數(shù)，即墊片比壓力y和墊片系數(shù)m，分別代表了密封墊片在預(yù)緊工況下形成初始密封條件時(shí)墊片單位面積上所受的最小壓緊力，以及在工作條件下承受一定內(nèi)壓力時(shí)墊片的有效緊固力必須超過管系操作壓力的m倍[5]。因此保證裝置能長期穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵就在于在整個(gè)運(yùn)行期間內(nèi)作用在密封墊上整個(gè)圓周上的壓緊應(yīng)力均勻、持續(xù)、有效。

螺栓預(yù)緊力、密封效果、墊片應(yīng)力之間存在一定邏輯關(guān)系。作用在螺栓上的預(yù)緊力通過法蘭壓緊密封墊片，在密封墊片表面形成的墊片壓應(yīng)力大于墊片所需的最小密封壓力時(shí)，墊片才能產(chǎn)生密封效果。當(dāng)墊片壓應(yīng)力小于該值時(shí)密封墊片表面與所接觸的法蘭表面之間一些微觀不平整仍然存在，當(dāng)設(shè)備運(yùn)行時(shí)自然就會(huì)發(fā)生泄漏。而當(dāng)密封墊片表面承受的壓應(yīng)力大于密封墊片所能承受的最大壓潰應(yīng)力，或者螺栓緊固產(chǎn)生的螺栓預(yù)緊力超過螺栓的屈服強(qiáng)度或法蘭的剛度時(shí)，就會(huì)造成密封墊片的壓潰，或螺栓失效、法蘭變形，這些因素也會(huì)造成法蘭泄漏。

因此，保證法蘭連接正常工作的壓應(yīng)力存在一個(gè)區(qū)間值，只有隨時(shí)保證密封墊片的壓應(yīng)力始終處于該區(qū)間，才能保證法蘭連接正常工作。值得注意的是當(dāng)介質(zhì)溫度變化或環(huán)境變化時(shí)，實(shí)際螺栓預(yù)緊力也隨著變化，螺栓預(yù)緊力在密封墊片上形成的壓緊應(yīng)力要保證在無泄漏范圍。

2 法蘭緊固方法[4，6-7]

2.1 傳統(tǒng)方法

目前常用的緊固方法有扭矩法和拉伸法2種，扭矩法通常是使用液壓扳手在螺母上施加一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)力，將螺母不斷向下旋，讓螺栓桿向上被拉伸。拉伸法又分為直接拉伸法和間接拉伸法2種。

直接拉伸法通常是使用液壓螺栓拉伸器，將油缸通過螺紋套與螺栓桿結(jié)合，當(dāng)液壓油缸活塞在高壓液壓力作用下向上頂升的時(shí)候直接拉伸螺栓桿,然后通過撥動(dòng)螺母轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度使螺栓的拉伸量保持住。間接拉伸法是一種使用超級螺母的緊固方法，超級螺母實(shí)物和緊固圖見圖1。通常是使用超級螺母將大螺栓的緊固轉(zhuǎn)化為小螺釘?shù)木o固，超級螺母中間的螺紋與螺栓桿螺紋相互配合，通過手動(dòng)力矩扳手不斷向下旋轉(zhuǎn)周圍一圈的小螺栓，從而達(dá)到拉伸大螺栓的目的。

圖1 超級螺母實(shí)物及其緊固圖

從經(jīng)濟(jì)實(shí)用性性、技術(shù)精確性、簡單便捷性、輔助工具的使用及其影響等方面對比扭矩法、直接拉伸法和間接拉伸法3種法蘭緊固方法的特點(diǎn)，其優(yōu)缺點(diǎn)見表1。

表1 不同法蘭緊固方法優(yōu)缺點(diǎn)對照

圖2 液壓扳手工作示圖

圖3 螺紋在液壓扳手反作用力支點(diǎn)引起的偏載下形成螺紋咬牙現(xiàn)象

2.2 扭矩拉伸緊固法

扭矩拉伸緊固法是在扭矩緊固法和拉伸緊固法的基礎(chǔ)上，擇其優(yōu)點(diǎn)去其缺點(diǎn)優(yōu)化得到的新型緊固方法。扭矩緊固法最大的缺點(diǎn)在于外部反作用力支點(diǎn)導(dǎo)致偏載，產(chǎn)生一些額外的不可預(yù)測的摩擦力。拉伸緊固法最大的缺點(diǎn)在于超拉和人工撥動(dòng)螺母。扭矩拉伸緊固法使用時(shí)需結(jié)合反作用力墊圈或機(jī)械式拉伸螺母。

2.2.1 帶反作用力墊圈

反作用力墊圈實(shí)物見圖4。在緊固時(shí)，使用這種六角形墊圈替換普通螺母下面的平墊，其呈滾花狀的粗糙表面與法蘭配合，另一側(cè)硬度較高的光滑表面與螺母接觸，中間的兩牙壓配螺紋環(huán)可保證該墊圈的六角與其上方的普通螺母的六角保持在同一中心上。

圖4 反作用力墊圈

緊固時(shí)還需要一個(gè)專用的雙層驅(qū)動(dòng)套筒，見圖5。外層套筒與緊固的扭力工具相配合，將扭矩工具在施加作用力時(shí)產(chǎn)生的反作用力通過該外層套筒傳遞到螺母下方的反作用力墊圈上，這樣就不需要額外尋找其他反作用力支點(diǎn)。內(nèi)層六角套筒與傳統(tǒng)扭力工具的作用方式相同，上部與扭矩工具的方頭驅(qū)動(dòng)相配合，下部內(nèi)六角的中心孔罩在螺母上，內(nèi)層六角套筒在扭矩工具、方頭驅(qū)動(dòng)的作用下帶動(dòng)螺母向下旋轉(zhuǎn)。

圖5 反作用墊圈雙層驅(qū)動(dòng)緊固結(jié)構(gòu)示圖

此時(shí)，作用力在內(nèi)層套筒上不斷將螺母轉(zhuǎn)動(dòng)，使其沿著螺栓桿的螺旋線向下移動(dòng)，反作用力作用在螺母下方的六角墊圈上。因?yàn)閴|圈底部粗糙結(jié)合面的摩擦力遠(yuǎn)大于在作用力帶動(dòng)下螺母與墊圈上部光滑結(jié)合面的摩擦力，因此在緊固過程中轉(zhuǎn)動(dòng)只會(huì)發(fā)生在螺母與墊圈的結(jié)合處，而反作用力墊圈與法蘭面則一直保持著緊密的結(jié)合，也不會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。在螺母沿著螺栓桿的螺紋向下轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，螺栓桿就被拉伸。

反作用力墊圈完成緊固示意圖見圖6。

圖6 反作用力墊圈完成緊固示圖

相比傳統(tǒng)的扭矩緊固法，帶反作用力墊圈的扭矩拉伸緊固法同樣需要控制緊固螺母的扭矩，但卻沒有外部的反作用力支點(diǎn)，因此緊固時(shí)不會(huì)有額外的偏載力施加在螺栓桿末端，也不會(huì)產(chǎn)生多余的彎曲力和摩擦力。同時(shí)，反作用力墊圈上表面最高達(dá)38 HRC的表面硬度也使得螺母的轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦力大幅減小。

相比傳統(tǒng)的拉伸緊固法，帶反作用力墊圈的扭矩拉伸緊固法在拉伸螺栓時(shí)不需要對螺栓進(jìn)行超拉，不需要人為撥動(dòng)螺母。將原來螺母下面使用的平墊更換成反作用力墊圈，通過簡單改變緊固的方式，即可對傳統(tǒng)的螺栓緊固進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化后的法蘭螺栓不會(huì)再因?yàn)槠d而有咬牙的風(fēng)險(xiǎn)，緊固過程中的施工方式與以前相差無幾，但不需要再費(fèi)力尋找額外的反作用支點(diǎn)，不需要液壓扳手的反作用力臂，不需要超拉螺栓，不需要人為干預(yù)緊固過程。更加重要的是，螺栓緊固過程中克服的摩擦力由不確定變成了可控，通過控制轉(zhuǎn)動(dòng)的摩擦力，就可以精確預(yù)測緊固完成后的螺栓預(yù)緊力。該緊固方式緊固完成后的螺栓預(yù)緊力精度可達(dá)±(5%～10%)，既能快速實(shí)施、保證載荷精度又能提升施工安全，是目前先進(jìn)的緊固方法[8-9]。

2.2.2 帶機(jī)械式拉伸螺母

機(jī)械式拉伸螺母分為內(nèi)外兩層結(jié)構(gòu)(圖7)，內(nèi)層螺紋套與螺栓桿相連接，外層轉(zhuǎn)動(dòng)套向下旋轉(zhuǎn)時(shí)，反作用力支點(diǎn)通過特殊的驅(qū)動(dòng)器被轉(zhuǎn)移到內(nèi)層螺紋套的頂部，使作用力矩與反作用力矩沿著螺栓的同一個(gè)軸線，達(dá)到不需要任何側(cè)向反作用力支點(diǎn)直接拉伸螺栓的目的。機(jī)械式拉伸螺母結(jié)構(gòu)和裝配示意見圖7。

圖7 機(jī)械式拉伸螺母結(jié)構(gòu)及裝配實(shí)物

機(jī)械式拉伸螺母在緊固過程中自身形成一個(gè)完整的力循環(huán)，無需借助外部的反作用力支點(diǎn)，不需要超拉。由于沒有偏載，不同的螺栓緊固時(shí)所克服的摩擦力幾乎一致。與傳統(tǒng)的扭矩緊固方式相比，在相同的施力情況下可以得到更大的預(yù)緊力，并且精確度高于±4%[8]。同時(shí)由于轉(zhuǎn)動(dòng)只發(fā)生在內(nèi)外套之間，內(nèi)螺紋套與螺栓桿的螺紋之間沒有相對運(yùn)動(dòng)，因此螺栓桿的螺牙可以受到保護(hù)。外層轉(zhuǎn)動(dòng)套向下轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)底面與機(jī)械式拉伸螺母的另一個(gè)部件——花鍵墊圈發(fā)生相對轉(zhuǎn)動(dòng)，而花鍵墊圈是一個(gè)整體硬化的部件，表面摩擦力很小，從而保證機(jī)械式拉伸螺母整體與法蘭面之間也不存在任何轉(zhuǎn)動(dòng)，保護(hù)設(shè)備的法蘭面不受損壞。機(jī)械式拉伸螺母的外套轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，雖然作用力矩同樣采樣扭矩作為控制值，但螺栓不受任何的扭轉(zhuǎn)力，只會(huì)發(fā)生軸向的拉伸變形，從而達(dá)到拉伸螺栓的目的。

3 法蘭緊固方法選擇要點(diǎn)

法蘭緊固的方法多種多樣，每種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，在提供便利的緊固手段時(shí)也伴生一些潛在的不可控因素[4]。但最終的控制目標(biāo)都應(yīng)該是螺栓通過夾緊法蘭的方式施加在密封墊上的壓緊力，即螺栓的存留預(yù)緊力，正是這個(gè)螺栓預(yù)緊力作用在密封墊片上使密封墊片產(chǎn)生密封的效果。因此對于緊固方法的選擇，應(yīng)考慮如何能快速、精確地獲得更高的螺栓存留預(yù)緊力精度。

根據(jù)設(shè)備的重要程度、介質(zhì)的危害程度、設(shè)備失效可能產(chǎn)生的影響程度等將設(shè)備法蘭分成不同的風(fēng)險(xiǎn)等級，對不同風(fēng)險(xiǎn)等級法蘭采取不同的緊固方法：①對于高溫、高壓、臨氫、熱油、有毒害介質(zhì)等高風(fēng)險(xiǎn)的裝置法蘭，應(yīng)采用能直接控制螺栓存留預(yù)緊力的緊固方法，最大限度控制螺栓的載荷精度誤差。②對于危險(xiǎn)程度不高，但又相對重要的中風(fēng)險(xiǎn)裝置法蘭，可以采取間接控制螺栓預(yù)緊力的緊固方法，比如扭矩法或拉伸法。③除以上2類以外的其它低風(fēng)險(xiǎn)法蘭，則可以采用普通的手動(dòng)緊固方法。

4 案例分析

4.1 泄漏概況

某石化廠150萬t/a連續(xù)重整裝置反應(yīng)器封頭(2個(gè)反應(yīng)器封頭法蘭，編號分別為DC203201和DC203203)實(shí)物見圖8。設(shè)計(jì)之初為了預(yù)防法蘭泄漏，在法蘭的每個(gè)螺栓兩端均安裝了1個(gè)碟簧，預(yù)期碟簧儲(chǔ)存一定的彈性勢能，以備在溫度變化及密封墊片受壓后對螺栓的預(yù)緊力給予一定的補(bǔ)償。

該反應(yīng)器工作介質(zhì)為易燃、易爆的氫氣和油氣，最高工作溫度550/400 ℃，設(shè)計(jì)溫度550/400 ℃，最高工作壓力0.59/-0.1 MPa，設(shè)計(jì)壓力0.77/-0.1 MPa，實(shí)際操作溫度523 ℃，實(shí)際操作壓力0.3 MPa。法蘭規(guī)格DN2 000 mm，材料12CrMo(IV)。雙頭螺桿規(guī)格 M42×3×470，材質(zhì)SA-193 B16(材料性能相當(dāng)于42CrMoV)，數(shù)量72個(gè)。六角螺母M42×3，材料SA-194Cr.3，數(shù)量144個(gè)。

裝置投產(chǎn)半年左右，在一次下大雨時(shí)反應(yīng)器頂封頭法蘭發(fā)生泄漏著火，經(jīng)拆去保溫層并將螺栓熱緊后，明顯的泄漏得到有效控制，但反應(yīng)器頂封頭法蘭附近油氣味仍然很重，說明泄漏現(xiàn)象并沒有完全消除。為了保證生產(chǎn)，一方面在生產(chǎn)中用隋性氣體對反應(yīng)器法蘭附近的空氣進(jìn)行稀釋，另一方面配備2臺(tái)消防車隨時(shí)待命，以防萬一。

圖8 連續(xù)重整裝置反應(yīng)器封頭

4.2 泄漏分析[6，10]

對拆下來的雙金屬自密封波齒石墨復(fù)合墊片及法蘭面的檢測結(jié)果進(jìn)行分析，泄漏的原因主要在于：① 長期的溫度變化引起螺栓載荷的損失。②長期處于500 ℃左右的高溫環(huán)境加速了石墨復(fù)合墊片中的密封填料氧化燒失，導(dǎo)致墊密封性能變差。③法蘭緊固方法無法精確控制螺栓的緊固力，施加的緊固力不足，為密封墊片留下的可運(yùn)行空間太小，造成密封墊片壓應(yīng)力不足以維持長周期的可靠運(yùn)行。④下雨時(shí)法蘭的溫度降低，而螺栓孔內(nèi)的螺栓溫度卻幾乎不變，形成法蘭降溫發(fā)生收縮而螺栓仍然保持受熱膨脹狀態(tài)，螺栓在彈性力作用下就會(huì)發(fā)生回縮，螺栓伸長量減小，因而造成螺栓載荷逐漸降低，低至該波齒密封墊片在這種操作壓力情況下所必須的最小螺栓壓緊力時(shí)，法蘭就發(fā)生泄漏。

通常，受溫度影響的法蘭會(huì)在裝置正常運(yùn)行一段時(shí)間以后才會(huì)發(fā)生泄漏，主要存在兩方面原因，①密封墊片本身的應(yīng)力松弛現(xiàn)象需要一定的時(shí)間才會(huì)表現(xiàn)出來。當(dāng)施加螺栓載荷時(shí)，作用在密封墊片的壓緊力會(huì)使墊片變薄，運(yùn)行一段時(shí)間以后，墊片的厚度會(huì)繼續(xù)減小，墊片的應(yīng)力也會(huì)逐漸減小，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)力松弛。②裝置在長期運(yùn)行中，溫度引起的金屬材料熱脹冷縮在法蘭和螺栓上產(chǎn)生不同的膨脹結(jié)果，溫度的交替變化對于螺栓載荷的影響不斷累加，只有當(dāng)螺栓載荷低于密封墊片所需的最小密封比壓時(shí)，法蘭才會(huì)發(fā)生泄漏。隨著溫度的變化，螺栓預(yù)緊力在不斷發(fā)生變化，如果預(yù)留給密封墊片的安全運(yùn)行應(yīng)力區(qū)間越大，則裝置正常運(yùn)行的時(shí)間越長，反之則可能很快發(fā)生泄漏?？梢?，溫度變化引起的螺栓載荷變化，對于裝置安全長周期運(yùn)行的影響至關(guān)重要。

4.3 泄漏處理

通過調(diào)研，將原來的雙金屬自密封波齒石墨復(fù)合墊片更換為由美國進(jìn)口的纏革(CHANGE)墊片，對2個(gè)系列反應(yīng)器封頭法蘭分別采用2種不同的緊固方式。

對DC203201法蘭采用間接拉伸法進(jìn)行緊固，將所有螺母更換為超級螺母，采用手動(dòng)力矩扳手進(jìn)行緊固，見圖9。

圖9 使用超級螺母緊固的法蘭

對DC203203法蘭采用扭矩拉伸法進(jìn)行緊固，在每個(gè)普通六角螺母下面安裝一個(gè)反作用力墊圈，采用液壓機(jī)具對螺栓進(jìn)行扭矩拉伸緊固，見圖10。

圖10 使用反作用力墊圈緊固的法蘭

2臺(tái)反應(yīng)器法蘭緊固完成后均試壓合格，開始投料生產(chǎn)。設(shè)備運(yùn)行半年以后分別對2臺(tái)反應(yīng)器法蘭進(jìn)行VOCs檢測，結(jié)果是采用超級螺母緊固的DC203201法蘭泄漏量為1 140×10-6，不符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定小于500×10-6的要求。而采用反作用墊圈緊固的DC203203法蘭泄漏量為70.7×10-6，符合標(biāo)準(zhǔn)要求[11]。由此可見，扭矩拉伸緊固法實(shí)施的風(fēng)險(xiǎn)比較低，只需要將原來安裝平墊片的位置用反作用力墊圈替換即可，但取得的泄漏治理效果卻相對明顯。

5 結(jié)語

石油化工企業(yè)設(shè)備管理，不僅要對裝置進(jìn)行分類，還要對不同位置的法蘭進(jìn)行分級管理，按照裝置法蘭的關(guān)鍵程度選用不同的緊固方法。LDAR檢測修復(fù)技術(shù)結(jié)合扭矩拉抻法密封面法蘭螺栓緊固方式，可有效降低石化企業(yè)的VOCs排放。扭矩拉抻緊固法消除了普通扭矩緊固因?yàn)榉醋饔昧Ρ鄱a(chǎn)生的偏載力，以及由此引起的不可控摩擦力，同時(shí)消除了人為影響和其它不確定因素，具有更高的螺栓載荷均勻度。采用扭矩拉伸緊因法明確設(shè)備升溫后螺栓載荷會(huì)降低到何程度，可以在緊固時(shí)就預(yù)留更大的空間，保證設(shè)備在運(yùn)行期間密封墊片上的壓緊力不會(huì)降低到最小密封比壓以下，使設(shè)備能長期無泄漏穩(wěn)定運(yùn)行。