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高溫油氣法蘭密封泄漏原因分析和防治對策

2025-02-11 13:21:46 作者：阿斯米來源：阿斯米分享至：

高溫油氣法蘭是指工作介質為有毒有害氣體或揮發性有機物、C5及以下輕烴和自燃點低的高溫熱油且工作溫度≥250℃的管道法蘭、閥門閥蓋、設備器壁開孔法蘭、熱電偶和溫度計法蘭等所有螺栓連接的密封點位。

連續重整、加氫裂化、吸附脫硫、芳烴和乙烯等煉化裝置的部分設備和管道長期在高溫下運行，法蘭、墊片和螺栓會逐漸發生蠕變松弛和密封材料老化現象，導致密封失效和泄漏；在開停車不規范和操作溫度異常波動時，法蘭連接的密封應力和附加載荷也會發生非預期變化，導致密封失效和泄漏。高溫油氣泄漏后如果不能在第一時間及早發現并及時處置，就可能發生著火、閃爆或中毒，引起裝置非計劃停車或局部停車消缺等安全生產事故。為防止法蘭連接系統發生泄漏引發安全事故，高溫油氣法蘭接頭一般不進行保溫處理，除非采取高精度定力矩緊固和泄漏在線監測預防等特別措施。

高溫油氣法蘭泄漏的主要原因

1.1 螺栓高溫失效

螺栓是法蘭連接系統的主要緊固元件，在高溫下，螺栓的失效不僅對法蘭連接系統的密封性有影響，更重要的是對系統的經濟性和安全性有很大的影響。高溫螺栓失效的主要機制包括蠕變、預緊力、脆性斷裂及疲勞。

1.1.1 螺栓的蠕變松弛失效

室溫狀態下被預緊的螺栓在溫度和壓力上升至操作條件并穩定后，隨著工作時間的延長，螺栓會發生蠕變，蠕變應變的大小取決于螺栓上的應力水平和操作溫度。通過實驗可知，隨著時間的推移，由于高溫蠕變的作用，螺栓彈性應變逐漸變小，剩余應力也逐漸變小，這就是螺栓的應力松弛。當螺栓拉緊力因應力松弛變得越來越小時，墊片壓緊力也隨著變小，當其小于操作狀態下密封需要的最小墊片壓緊力時，法蘭接頭開始泄漏，導致密封失效。

1.1.2 螺栓預緊的影響

螺栓預緊質量控制不當會產生附加的彎曲應力，疊加溫度及介質載荷的波動，造成螺栓早期失效；螺栓實際預緊力不夠或過大，高溫或承壓工作時，法蘭連接也會泄漏。

表1 螺栓軸向應力隨初始預緊力降低不同幅度所需時間 t?10000/h

從表1可以看到，常溫下的預緊應力對螺栓材料的蠕變存在非常大的影響。如果在高溫下保持常溫下的預緊力，則需要在較短的時間間隔內再次擰緊螺栓。預緊應力處于 80MPa時，若要求應力下降 10％就擰緊的話，其時間間隔約為 10個月。在高溫工作時，預緊力不宜取較高值，否則纏繞墊有被壓潰的風險或需要頻繁被熱緊。

1.1.3 螺栓的脆性斷裂及疲勞失效

螺栓在高溫條件下長時間運行會造成螺栓內部微觀組織的變化、沖擊韌性快速下降，在操作溫度異常波動或開停車不規范時脆斷失效。如果沒有對密封點進行在線連續監控或規范的點巡檢，這種失效形式會突然發生，造成巨大的損失。

1.2 墊片的蠕變和應力松弛

提高密封效果，減少泄漏最有效的手段還是提高墊片的性能。由于承受很大的壓緊力，所以墊片存在蠕變和應力松弛現象，且發生這種現象的幾率隨溫度的升高而增大。只不過在這個過程中應力和蠕變都是逐漸變化的，在螺栓、法蘭、墊片這種結構中，墊片發生應力松弛后也必然會有相應的應變發生，蠕變則必然導致螺栓預緊力和密封能力下降，最終導致法蘭連接泄漏。

常見的墊片失效形式為墊片的蠕變松弛失效、墊片的高溫回彈性失效和墊片的高溫強度失效。

美國壓力容器研究委員會(PVRC)早在20世紀80年代就根據典型墊片的管路泄漏率估計，推薦了法蘭連接緊密性準則，將密封等級分為3級：

德國TA-Luft和VDI2440規定，法蘭接頭在0.1MPa試壓時檢驗泄漏率必須≤10-4mbar×l(s×m)。

1.3 法蘭長期高溫運行的失效分析

1.3.1 法蘭的高溫蠕變松弛失效

法蘭長期高溫服役會由于剛度不足引起過度變形，加之法蘭與螺栓材料線性膨脹系數的差異造成的變形不協調，法蘭會緩慢地產生永久性、不可恢復的塑性變形，從而導致不可修復的泄漏失效。

1.3.2 法蘭在高溫下的界面泄漏失效

通常是由于法蘭加工精度不高、安裝不當產生的表面劃痕或者在裝置開車期間物料中雜質較多、溫度升降頻繁而造成的。

1.4 法蘭接頭保溫

法蘭接頭保溫能夠避免熱量損失、節能降碳，也會避免突降暴雨、澆淋法蘭接頭導致泄漏。但是法蘭接頭保溫后，法蘭組件的工作溫度升高，隨著服役周期的延長，會帶來螺栓、法蘭及墊片的高溫蠕變和松弛問題，密封元件的回彈能力下降，從而引起墊片工作密封比壓的顯著降低，導致法蘭系統的泄漏失效。

1.5 裝置緊急停車或暴雨澆淋

法蘭、墊片、螺栓在高溫操作條件下達到平衡后，因其發生蠕變—松弛，使墊片在一個較低的應力水平達到密封。裝置緊急停車或暴雨澆淋法蘭接頭時，而溫度有較大幅度下降，操作壓力若不變，因冷縮會使墊片所受的有效壓緊力更小，極易發生泄漏。

高溫油氣法蘭密封泄漏防治對策

預防高溫油氣法蘭泄漏，應從規劃設計、制造安裝、試運驗收、生產運維、停工檢修和開工檢查等方面綜合考慮。

設計開始就要充分考慮保證所設計的設備、管道將來投用后, 能長周期運行, 無泄漏, 即所謂“無泄漏設計”。比如，一些不需經常拆卸的部位，能用焊接的, 不用法蘭、螺栓連接，盡量減少密封點; 設備、管道要充分考慮常溫組裝安裝高溫工作時的膨脹和熱應力; 法蘭、閥門、螺栓、墊片要選用適當, 某些高溫易發生泄漏的部位, 設計時就要考慮升級配置或設置密封狀態在線監測預防系統，為預防預測性維護創造條件，降低開車后的運維成本。

圖1 靜密封零泄漏管理階段

針對高溫油氣法蘭早期失效泄漏的主要原因，建議采取如下措施預防泄漏。

2.1 規劃設計

2.1.1 螺栓材料的選擇

在相同的應力水平下，A193 B16材料的蠕變速率低，蠕變變形比25Cr2MoV的小。A193B16螺栓的抗蠕變性能優于25Cr2MoV。

圖2 25Cr2MoV與ASTM A193 B16螺栓材料抗蠕變松弛性能對比

2.1.2 密封墊片的選擇

按照“GB/T20801.3-2020壓力管道設計和計算規范”5.2.3.4款的規定，高溫或承受較大溫度梯度的法蘭接頭，應考慮法蘭的高溫變形、溫差和螺栓材料的應力松弛以及墊片蠕變，選用抗低溫交變和蠕變的高性能密封墊片或組件。

隨著溫度的升高，纏繞墊片的壓縮回彈曲線向右移動，說明溫度對纏繞墊片的壓縮回彈特性的影響較明顯。在相同的壓緊應力下，隨著溫度的升高，墊片的壓縮曲線逐漸變緩，回彈曲線的斜率逐漸變陡，說明隨著溫度增加，纏繞墊片變軟，且回彈性減小。纏繞墊片SWG和金屬碰金屬MMC墊片的壓縮回彈性能相差很大，MMC墊片的最大壓縮比約0.25，而纏繞墊片的最大壓縮比約0.15。從壓縮曲線看, MMC墊片的壓縮曲線比纏繞墊片的壓縮曲線平緩，說明MMC墊片的壓縮變形比較穩定，產生的壓縮量比較大；從回彈曲線看，MMC墊片的回彈曲線比纏繞墊片的回彈曲線平緩，說明MMC墊片的回彈量大，具有較好的回彈性能。

圖3 金屬碰金屬MMC墊片與纏繞墊片SWG的抗蠕變性能曲線

MMC比SWG墊片的應力松弛率小10% - 15%左右，允許過載，不用擔心預緊應力過大而壓潰墊片；MMC墊片的抗高溫蠕變松弛和疲勞能力遠高于普通的SWG墊片。

2.1.3 法蘭的選用

選擇正確的型式，關鍵設備重要部位高溫油氣法蘭的耐壓等級可以選用比常規設計校核最小磅級高1-2個等級。

2.1.4 優化管系減小推力和彎矩

大口徑高溫油氣管線設置一定數量的膨脹節和U型補償，優化支吊架位置，減小管系推力和彎矩。

2.2 制造安裝階段

應嚴格按照設計要求及技術規范施工。在法蘭墊片安裝時, 要認真執行法蘭墊片安裝五個要點,十五字工作法,即選得對、查得細、清得凈、裝得正、上得勻，嚴格按照GB∕T 38343或ASME PCC-1安裝技術規定進行定力矩緊固和管理, 選用無反力臂液壓扳手、螺栓清洗涂潤滑脂和反作用力墊圈，將螺栓預緊力控制在+/-10%之內。

2.3 試運驗收階段

在試運中，對所有密封點應分兵把關，嚴格檢漏，不合格的返工，直到合格為止。

2.4 生產運行階段

要認真進行點巡檢，落實無泄漏網格化管理責任制；對塔頂罐頂或保溫層下的不可達高溫臨氫、高低溫交變易漏密封點狀態進行在線連續監測，預防泄漏。工藝操作要避免驟然升溫、降溫，采用耐高溫蠕變螺栓、高精度定力矩緊固、抗高低溫交變或抗蠕變墊片和泄漏在線連續監測預防措施，保溫法蘭接頭，防止暴雨澆淋急冷法蘭接頭和熱能損失。

根據長江三角洲區域統一標準《DB31/T310007-2021設備泄漏揮發性有機物排放控制技術規范》4.1.3款的規定，不可達密封點或易泄漏密封點可采用連續監控設施實時進行泄漏監控預警，預防泄漏；《GB37822-2019揮發性有機物無組織排放控制標準》8.3.2款規定，配備密封失效檢測和報警系統的設備與管線組件可免于泄漏檢測。保溫或保冷層下高低溫交變法蘭密封點裝設泄漏在線連續監測預防系統，可在第一時間發現報警保溫保冷層下或塔頂罐頂法蘭密封點的不可見泄漏。