定力矩紧固配合双金属自密封波齿垫片在催化装置中的应用

孙朝辉

（锦西石化分公司重油催化车间，辽宁 葫芦岛 125000）

石油化工装置中最常用的连接方式是法兰连接。在日常运行生产过程中因压力、温度波动，很容易造成法兰出现泄漏，如果泄漏发生在高温高压部位，则泄漏还会造成附加危害，如着火、爆炸或者高温烫伤等。

1 装置情况介绍

重油催化装置投产后，中压蒸汽系统和高温油浆系统在运行过程中经常出现连接法兰泄漏的情况。车间通常会对泄漏法兰进行重新紧固处理，但紧固并不能使法兰密封性能长时间保持，如果系统出现波动仍会出现泄漏情况。反复紧固后部分螺栓已经超过屈服极限，导致再次拆卸困难，缩短螺栓使用寿命甚至报废，同时密封垫片也会出现回弹失效，密封性能下降。最终法兰密封失效，泄漏无法常规处理，给生产安全带来很大隐患。分析法兰泄漏的原因主要包括以下几方面：

（1）法兰密封面回装过程中密封面没有处理好，存在贯穿性凹痕或者夹杂机械杂质，这样在投用过程中或者生产运行后不久法兰就会出现泄漏，这种问题已经引起重视并在检修过程中加强检查后，此种原因已较少出现。

（2）密封垫片在安装过程中或者使用后由于反复挤压，垫片回弹性降低，密封能力出现下降，甚至部分金属缠绕垫片会出现崩溃情况，给泄漏处理带来很大难度。

（3）由于过去法兰紧固依靠人力紧固施工较多，个体之间存在力量差异，使用工具也各式各样，无法保证预紧力一致。另一方面预紧力大小也主要凭经验、靠感觉，为了防止出现泄漏又会出现预紧力过大的情况，导致螺栓超过屈服极限，造成螺栓失效。

在装置运行的几个周期过程中，车间也采取了多种措施来应对法兰密封泄漏。如：将部分易波动中压蒸汽法兰密封垫片由缠绕垫片改为波齿复合垫片，减少缠绕钢带崩溃带来的突然泄漏风险；在适合安装补偿垫圈位置加装补偿垫圈，减少压力波动对螺栓预紧力的影响；检修过程中重新校对法兰配合，保证法兰连接质量等。这些措施取得了一定效果，尤其是装置运行前期，泄漏情况改善明显，但是在运行后期，由于波动累积泄漏仍会出现，没从根本上解决法兰密封面泄漏的问题。

2 定力矩紧固技术简介

定力矩紧固是使用液压拉伸器、液压扳手等专用工具，通过控制紧固力矩的大小和施工方法的方式，使连接法兰的螺栓受到可控的、均匀的预紧力或紧固力，从而使该预紧力或紧固力均匀的作用在法兰密封面上，达到法兰连接“零泄漏”的效果。

2.1 预紧力、紧固力测算方法

（1）根据垫片、法兰规格及密封形式测算紧固扭矩通过查找垫片系数、比压力、垫片接触宽度，计算垫片的基本密封宽度，确定垫片的有效密封宽度、确定垫片压紧力作用中心圆直径。再通过上述数据计算出工作前、工作时法兰压紧力，最终确定螺栓的预紧力及紧固扭矩。由于螺栓腐蚀、法兰接触面摩擦等影响，根据操作经验可以给计算结果乘以一定的修正系数，一般为1.2-1.4。

（2）查表得到螺栓的屈服强度，以60%~65%屈服强度作为紧固扭矩。

由于实际操作环境比较复杂，第二种方法计算所得数据在实际应用过程中往往效果不好，所以倾向采用第一种计算方法。

2.2 实际操作要求

技术人员编制完成作业卡及螺栓紧固指导卡，施工负责人应按照现场使用扳手型号选取对应的液压扳手表压。对于有泄漏的管法兰预紧前，应认真清理法兰泄漏面残留油污，用游标卡尺分四个方向进行法兰间隙测量，做好标记。预紧时首先从法兰间隙值最大处着手紧固，以期最大限度修正原紧固误差。紧固完毕后再次同位置测量，将紧固前后测量数据记录入螺栓紧固作业指导卡，并对紧固前后法兰最大间隙值进行比较。为保证预紧力或紧固力均匀作用在法兰密封面上，一般采用对角紧固的紧固顺序。紧固前给需紧固的连接法兰上的每个螺栓进行标号，便于紧固过程中对称进行紧固。法兰预紧完毕挂牌标示紧固力矩及紧固日期，目的在于方便下次拆卸及安装螺栓时选定扭矩。

3 双金属自密封波齿复合垫片技术简介

双金属自密封波齿复合垫片是由两片金属叠合后在其外圆周通过熔焊将两者融合在一起而形成整体结构的“压力自密封”金属骨架，金属骨架上下表面加工有特殊设计的波齿状沟槽，金属结构骨架的外表面贴上适当厚度的柔性石墨材料，最终构成了双金属自密封波齿复合垫片。双金属自密封波齿复合垫片的典型结构如图所示。

图 1 双金属自密封波齿复合垫片结构

在操作状态下，当压力介质进入系统后它同时会渗透进入金属骨架的两金属片之间的微观缝隙。由于金属骨架上下两金属片外圆周边已被完全紧密地融合在一起，介质不会从此处泄漏出去。进入两金属片之间微观缝隙处的介质压力作用于两金属片的内表面，使两金属片分别向外压向对应的法兰面，从而在双金属自密封波齿复合垫片的上下外表面与法兰面之间形成附加的垫片应力。可见在操作状态下，它的垫片应力比普通垫片始终多出一种附加应力，其值与介质压力相当。这种附加应力的存在使原来因压力升高或其他原因而减少的垫片应力得到了补偿和增加，因而使双金属自密封复合垫片具有比现有的其他垫片具有更好的密封性能。

4 定力矩紧固配合双金属自密封波齿复合垫片实践应用及效果

鉴于催化装置在实际生产中出现的蒸汽、油浆法兰泄露问题和两种技术对此种泄露可能的效果，从2013年大检修开始，重油催化装置便将此两种技术应用到了检修过程中，并参照中国石油天然气股份有限公司炼油与化工板块《法兰垫片紧固件选择及安装指导意见》和《静密封安装指导意见》，编制了车间高温易泄漏部位法兰螺栓紧固台账。主要应用部位包括3.5MPa高温蒸汽系统管线法兰、高温油浆系统管线法兰以及少量设备法兰。具体见下表：

表1 高温蒸汽、油浆系统法兰使用情况表

表1主要统计了两种技术同时应用的情况及使用效果，其中3.5MPa蒸汽系统进出装置控制阀组阀门法兰受厂内系统蒸汽及装置内自产蒸汽的交互作用，压力、温度波动较为频繁，经常出现泄漏情况。在以往的运行过程中发现泄漏后，为保证生产往往采取直接人力紧固的方式。反复几次后，泄漏就会出现恶化情况，泄漏无法紧固住，蒸汽长时间泄漏又会使法兰面出现损伤，进一步加剧泄漏，对周围设备及日常维护人员安全带来隐患，最后不得不采取法兰焊死的极端方式来处理。这样又给日后的检修处理带来困难。采用定力矩紧固和双金属自密封垫片后，在两个检修周期的运行过程中，泄漏情况大大减少，即使偶尔出现轻微泄漏的情况，在波动稳定后也能重新回复到不泄露状态。而对比仅使用定力矩紧固的蒸汽法兰，仍会有少量出现泄漏无法回复的情况。不难看出，两种技术相辅相成，保证了3.5MPa蒸汽系统的低泄漏率。

在油浆系统法兰的使用中，定力矩紧固和双金属自密封垫片同样取得了良好的效果。油浆系统泄漏与蒸汽泄漏存在着不同的情况，蒸汽系统介质相对较为洁净，出现泄漏后法兰密封面一般不会留下杂质异物等。而油浆系统由于自身工艺性质，往往含有催化剂等颗粒物，一旦出现泄漏，很容易在法兰密封面上留下较硬的颗粒物，这样泄漏的法兰再次紧固密封效果便会下降，所以采用常规方式紧固，出现一次泄漏便很难消除。由于油浆温度较高且有可燃性，容易出现着火冒烟的情况，安全隐患较大，也无法进行焊接堵漏处理。并且泄漏的油浆滴落到设备、地面上也对环境造成了污染。采用定力矩紧固和双金属自密封垫片后，首先是垫片增强了密封性能，减少了泄漏，其次定力矩则减少了压力波动带来的泄漏。

当然这两种技术的应用并没有解决所有的泄漏问题，在实际应用过程中我们就发现，由于施工工具的限制，采用定力矩紧固的法兰尺寸一般都大于DN200，这样在部分使用了双金属自密封垫片的规格较小的法兰中，仍出现了泄漏无法消除的情况，如阀门的小跨线阀法兰等部位。还有就是部分规格较大的法兰，比如换热器管箱法兰等，由于规格尺寸较大，受系统波动影响更明显，垫片的密封补偿效果及定力矩的施工效果都较管线法兰要差一些。

5 结语

石油化工管道与设备中连接法兰的泄漏对生产及环境的影响和危害极其严重，因此在日常维护和检修过程中寻找合适的密封紧固方法和密封垫片能有效地降低法兰的泄漏率，减少泄漏带来的危害，同时在施工中根据具体情况不断总结对密封材料和紧固施工方法的应用，进一步降低泄漏，从而保证了装置安、稳、长、满、优运行，实现效益最大化。