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炼化装置法兰接头泄漏风险的源头控制

作者:admin 来源:原创 日期:2018-4-3 15:26:21 人气:20

泄漏风险控制是炼油化工等工业面临的科学永续发展中的重要课题,解决这一问题要从过程设备的设计做起。依据工程实例和规程标准从法兰接头设计的三要素切入,通过对热媒蒸发器的管箱法兰与壳体法兰所夹持的管板连接密封面泄漏进行分析讨论,给出了蒸发器法兰接头的设计改进方案,建议炼化装置中法兰接头泄漏风险的控制应注重法兰结构与垫片及紧固件的合理匹配:对于苛刻工况的法兰接头设计,应优先选用标准长颈对焊法兰和已有成功应用经验的标准垫片,合理选择紧固件并在设计文件中给出螺栓的设计载荷及拧紧技术要求,以指导用户安全使用。

炼油化工装置的“跑冒滴漏”大多源于过程设备与管道中的法兰接头(法兰+垫片+紧固件)。法兰接头泄漏不仅浪费资源,而且污染环境甚至酿成中毒或爆炸事故危及生命财产的安全,并且法兰接头泄漏失效往往被设备设计所忽视。所以,有必要以工程案例和规程标准对法兰接头泄漏与控制进行讨论,从设计源头防止泄漏风险。

1 法兰结构设计

以热媒蒸发器的管箱法兰与壳体法兰所夹持的管板连接密封面泄漏为例进行分析讨论。热媒蒸发器为BKU800/1500-0.7/0.3-120-3.8/19-4I[1],其技术特性见表1

蒸发器为4管程,管板与管箱和壳体的连接方式采用a型——管箱法兰-管箱垫片-管板-壳体垫片-壳体法兰通过紧固件连接,较一般的法兰接头——法兰-垫片-法兰的紧固件连接多了一件管板和垫片。原设计选用管箱法兰与壳体法兰为JB/T 4703[2]的法兰T800-2.5/16MnⅡ,管板为G/16MnⅡ,管箱垫片为金属包垫片(S30408包柔性石墨),壳体垫片则选为JB/T 4706的垫片G800-2.5,螺柱选为JB/T 4707M24/35CrMoA,螺母为GB/T 6170M24/30CrMo。制造经水压试验及气密性试验检验合格出厂,在装置开工后发现管箱法兰与管板密封处底部泄漏。

此蒸发器虽然工作压力较低,但介质可燃易爆且渗透性强,工作温度较高,操作工况苛刻,加之管板与管箱和壳体的连接方式采用a型,设计根据管壳式换热器标准,不仅将管箱法兰与壳体法兰选用了长颈对焊法兰,而且尚选用了公称压力等级较高、密封面为榫槽形式。查JB/T 4700中表7350℃温度下16Mn材料PN1.0级时法兰的最大允许工作压力为0.81MPa,满足管程最高设计压力0.7MPa的要求;就是考虑水压试验压力1.1MPa的需要,选用PN1.6 级法兰也能满足水压试验强度要求(此时-20200 ℃的最大允许工作压力为1.6MPa);而设计选择PN2.5级法兰时350℃温度下最大允许工作压力为2.04MPa。设计如此提高压力等级选用管箱法兰和壳体法兰,是考虑了多管程管箱法兰的密封强度与刚度的要求[3]以及装置开工升温过程为避免螺栓连接法兰密封泄漏而需适当增大初始预紧力或再次热紧所预留的法兰强度与刚度。因为,影响法兰强度与刚度的法兰结构尺寸如锥颈高度、小端/大端厚度、内/外径及法兰厚度等PN2.5级较PN1.0级除内径相同外均偏大,而PN2.5级较PN1.6级的法兰结构尺寸则是法兰厚度厚10mm,螺柱数量多8个,并且螺柱材料尚提高一级。经校核计算表明,管箱法兰和壳体法兰的强度与刚度均满足设计要求。

如此可见,法兰接头的密封性能首先取决于法兰的结构形式[4],鉴于长颈对焊法兰与圆筒或接管采用对接接头焊接,其刚性好强度高,适用于压力、温度较高及直径较大的场合和密封要求严格的高毒(毒性为极度和高度危害)、易爆或渗透性强的介质及剧烈循环的工况。所以,管壳式换热器标准中的容器法兰均采用长颈对焊法兰,并优先选用JB/T 4703容器法兰标准。容器法兰标准可称为压力容器零部件标准的典范,不仅考虑了腐蚀裕量,就连颈部的圆角R也考虑得如此精确,以安装紧固件的螺母,更方便容器设计的选用,并且选用标准法兰可免除GB 150《压力容器》的相关计算。

相对容器法兰,管法兰接头的密封性能也应根据设计条件、介质特性及密封要求等因素综合考虑法兰与垫片及紧固件的合理匹配,并注重经工程使用经验完善的相关规程标准中规定。如《固定式压力容器安全技术监察规程》(简称《固容规》)对压力容器用管法兰强制规定[5]:盛装液化石油气、毒性程度为极度和高度危害介质以及强渗透性中度危害介质的压力容器,其管法兰应按照HG/T 2059220635系列标准的规定,至少应用高颈对焊法兰、带加强环的金属缠绕垫片和专用级高强度螺柱组合。而HG/T 20583更是对管法兰明确规定[6],容器的接管法兰及其垫片和紧固件应优先选用HG/T 2059220635系列标准,并对管法兰选择提出详细要求:容器内毒性为极度和高度危害介质以及强渗透性介质的接管法兰的公称压力等级应选用不低于2.0MPa;容器内介质毒性为极度和高度危害或有强渗透性的中度危害和介质为液化石油气时,接管法兰应采用带颈对焊法兰;低温或高温或疲劳容器以及第Ⅲ类压力容器的接管法兰宜采用带颈对焊法兰。HG/T 2059220635则规定[7]:在剧烈循环工况下,应选用带颈对焊法兰。这都是工程应用中经验教训的结晶,值得吸取。

法兰接头的密封性能除了靠影响法兰强度与刚度的结构尺寸保证外,尚与垫片匹配的法兰密封面形式及表面粗糙度密切相关。蒸发器设计选用法兰/管板的密封面为T/G面是可取的,这对管箱垫片与壳体垫片的对中安装从而保证密封性能要比FM/M面为好,尤其是对强渗透性介质工况选T/G面为宜。但设计选用垫片为金属包垫值得商榷,并且设计对管箱焊后消除应力热处理的法兰密封面及管板密封面均未提出相应的硬度要求,而相关标准显示,包覆层不锈钢板硬度的最大值为187HB[7],高于16MnⅡ的硬度最大值180HBW[8]。另一方面,施工图中与金属包垫相匹配的密封面粗糙度也不符合密封要求,因为相关标准要求与金属包垫相匹配的密封面粗糙度为Ra1.6[6-7],而管箱图样对密封面的粗糙度要求却沿用了JB/T 4703法兰中的Ra6.3(这正好符合缠绕垫或波齿复合垫的密封面粗糙度要求),管板图样却没有加工表面粗糙度标注,这些纰漏直接影响法兰密封的使用性能,应引起注意。

2 垫片合理选择

另一个影响法兰接头密封性能的关键要素是垫片。因为,法兰接头介质泄漏或通过垫片渗漏或通过垫片与法兰密封面间接触面泄漏。蒸发器设计选用管箱垫片与壳体垫片为金属包垫(S30408包柔性石墨),虽然能有效防止垫片本身的渗漏,但由于金属包垫属于金属对金属的密封面间接触密封,在预紧和操作过程中其填充石墨往往被压坏而失去作用,导致金属包垫弹性减小而容易丧失密封性能,并且因包覆层金属板的表面质量及其拼接接头的焊接质量等问题而影响密封的可靠性。同时,金属包垫不仅对法兰等密封面的表面粗糙度要求较高如对不锈钢板至少为Ra1.6,而且尚要求包覆层金属板硬度应低于法兰等密封面。所以,蒸发器选用的金属包垫质量缺陷以及与之匹配的法兰和管板密封面的表面粗糙度及硬度的不适应是导致管箱法兰与管板密封处泄漏的原因之一。这就提示容器设计者,合理选择与法兰密封面相匹配的垫片格外重要,需要源于工程经验而完善的相关标准的支持。

石墨缠绕垫虽回弹性较金属包垫好并对密封面要求较低而广泛应用于管壳式换热器,但同样也存在“压溃”、“失稳”及“散架”等问题[9]。尽管带内外加强环(起对中和限制垫片受压时向内、外变形等作用,且尚可限制轴向过分挤压金属带以防止垫片比压的减小)的缠绕垫能体现其性能,但不带外加强环的垫片受压时外缘金属带的焊点易被拉脱而使垫片溃散破坏即“压溃”,而不带内加强环的垫片受压时产生向内凹陷的破坏即“失稳”,并且生产、运输和安装中易松散损坏即“散架”。此外缠绕垫标准本身也存在不完善[10]1)缠绕垫标准未给出成型钢带的几何尺寸,只规定缠绕用钢带厚度的范围值0.150.25mm,而未对绕带的V角等具体规定;2)未参照API标准规定“缠绕垫密封面两侧非金属带均匀突出金属钢带0.15mm”而影响垫片的密封性能;3)其它技术要求按GB/T 4622.3,则不方便用户对缠绕垫的质量直观检验与验收。为此,相继产生了替代前两者的并有成功使用经验的波齿复合垫 [11-12]

波齿复合垫是在波齿金属上复合柔性石墨,具有良好的压缩-回弹特性,较缠绕垫稳定可靠,目前已列入GB 150中的常用垫片,成为大直径管法兰和压力容器尤其是换热器法兰普遍使用的垫片,适用于高温、高压和工况波动的场合。所以,本案例蒸发器的垫片选用完全可以考虑波齿复合垫。

可见,法兰接头中垫片(型式与材料)的合理选用,应根据使用工况(介质、压力、温度)及密封要求,并考虑与法兰密封面形式及粗糙度相适应,注重从工程应用经验修订完善的相关标准。如HG/T 20583对垫片选用做出的规定:压力容器法兰用垫片与介质等参数的匹配可参照附录A;管法兰用垫片与介质等参数的匹配可参照附录B;常用金属和非金属垫片的耐化学品性能可参照附录C;常用金属垫片使用的物理性能参照附录D;压力和温度低的场合宜采用非金属软垫片和金属包覆垫片;压力和温度高的场合宜采用金属垫片和金属复合垫片或金属缠绕垫片;压力和温度有波动的场合宜采用回弹性好的和具有一定自紧式垫片等等。

3 紧固件的要求

法兰接头的密封通过紧固件压紧垫片来实现。所以,紧固件的合理选配及装配拧紧要求对法兰接头的密封性能至关重要,需要容器设计经过校核计算后确定螺柱/螺母的材料、规格及数量等,以得到合适的预紧力,在满足法兰强度和刚度要求同时又不会压坏垫片的前提下,建立初始密封条件和操作密封条件,从而达到法兰接头的密封要求。

蒸发器设计选用螺柱选为JB/T 4707M24 /35CrMoA,螺母为GB/T 6170M24/30CrMo。按JB/T 4700-2中的法兰接头材料匹配要求,由JB/T 4700-4知螺柱材料选为40MnB即可,但设计却提高一级选用35CrMoA,致使实际螺栓总截面积是所需螺栓总截面积的1.9[13]。设计选用高强度等级螺柱,可能是考虑了装置开工升温过程为避免螺栓法兰连接密封泄漏而再次热紧所预留的螺柱强度,但施工图中却并未提出相关的法兰螺栓再次热紧要求的技术说明,致使用户使用时未能及时在升温过程对蒸发器管板法兰的螺栓连接进行热紧,这是蒸发器管箱法兰与管板密封处泄漏的又一原因。

由于法兰标准JB/T 4703和法兰计算GB 150[14]GB 151等相关标准均未提出低温或高温工况时温度载荷对螺栓法兰连接密封性能的影响要求,致使压力容器尤其是管壳式换热器设计施工图也没有表达出对螺栓法兰连接密封再次紧固(冷紧或热紧)要求的技术说明,使得用户制定的操作规程对开工运行升温过程的热紧无章可循,或只能作出定性说明并不断积累经验加以完善[15]:“工作温度超过250℃时,螺栓应该进行热紧,如工作温度250350℃时,需要两次热紧,即到200℃时作一次热紧,达工作温度时再作二次热紧。……因不热紧或热紧不合理而发生泄漏的现象很多”。可见,用户渴望压力容器设计文件对此给出明确的使用说明。

4 结束语

综上讨论得出蒸发器法兰接头的设计改进方案:鉴于法兰强度与刚度及紧固件等均能满足密封要求,只需对法兰和管板的密封面表面粗糙度及硬度根据所选用垫片作出相应完善,将垫片改选为波齿金属复合柔性石墨垫片,并对紧固件的拧紧程度及开工运行中的热紧操作提出相应技术要求。由此建议炼化装置防止法兰接头泄露风险应从设计源头控制:

1)法兰接头应根据工况条件、介质特性及密封要求等因素综合考虑法兰与垫片及紧固件的合理匹配,注重采用源于工程经验而完善的相关标准;

2)苛刻工况法兰接头中的法兰应优先选用标准长颈对焊法兰,使法兰强度与刚度及紧固件符合GB 150的要求,同时要求法兰密封面的表面粗糙度及硬度与所选用的垫片相适应,密切关注标准动态合理选用标准垫片;

3)合理确定螺栓设计载荷以满足法兰接头的初始密封条件和操作密封条件要求,并在设计文件中提出紧固件拧紧程度如热紧的技术说明,以指导用户安全使用。