高温油气法兰密封泄漏原因分析和防治对策

2023-10-17 14:53:03 作者：阿斯米来源：阿斯米分享至：

高温油气法兰

是指工作介质为有毒有害气体或挥发性有机物、C5及以下轻烃和自燃点低的高温热油且工作温度≥250℃的管道法兰、阀门阀盖、设备器壁开孔法兰、热电偶和温度计法兰等所有螺栓连接的密封点位。

连续重整、加氢裂化、吸附脱硫、芳烃和乙烯等炼化装置的部分设备和管道长期在高温下运行，法兰、垫片和螺栓会逐渐发生蠕变松弛和密封材料老化现象，导致密封失效和泄漏；在开停车不规范和操作温度异常波动时，法兰连接的密封应力和附加载荷也会发生非预期变化，导致密封失效和泄漏。高温油气泄漏后如果不能在第一时间及早发现并及时处置，就可能发生着火、闪爆或中毒，引起装置非计划停车或局部停车消缺等安全生产事故。为防止法兰连接系统发生泄漏引发安全事故，高温油气法兰接头一般不进行保温处理，除非采取高精度定力矩紧固和泄漏在线监测预防等特别措施。

高温油气法兰泄漏的主要原因

1.1 螺栓高温失效

螺栓是法兰连接系统的主要紧固元件，在高温下，螺栓的失效不仅对法兰连接系统的密封性有影响，更重要的是对系统的经济性和安全性有很大的影响。高温螺栓失效的主要机制包括蠕变、预紧力、脆性断裂及疲劳。

1.1.1 螺栓的蠕变松弛失效

室温状态下被预紧的螺栓在温度和压力上升至操作条件并稳定后，随着工作时间的延长，螺栓会发生蠕变，蠕变应变的大小取决于螺栓上的应力水平和操作温度。通过实验可知，随着时间的推移，由于高温蠕变的作用，螺栓弹性应变逐渐变小，剩余应力也逐渐变小，这就是螺栓的应力松弛。当螺栓拉紧力因应力松弛变得越来越小时，垫片压紧力也随着变小，当其小于操作状态下密封需要的最小垫片压紧力时，法兰接头开始泄漏，导致密封失效。

1.1.2 螺栓预紧的影响

螺栓预紧质量控制不当会产生附加的弯曲应力，叠加温度及介质载荷的波动，造成螺栓早期失效；螺栓实际预紧力不够或过大，高温或承压工作时，法兰连接也会泄漏。

表1 螺栓轴向应力随初始预紧力降低不同幅度所需时间 t✖10000/h

从表1可以看到，常温下的预紧应力对螺栓材料的蠕变存在非常大的影响。如果在高温下保持常温下的预紧力，则需要在较短的时间间隔内再次拧紧螺栓。预紧应力处于 80MPa时，若要求应力下降 10％就拧紧的话，其时间间隔约为 10个月。在高温工作时，预紧力不宜取较高值，否则缠绕垫有被压溃的风险或需要频繁被热紧。

1.1.3 螺栓的脆性断裂及疲劳失效

螺栓在高温条件下长时间运行会造成螺栓内部微观组织的变化、冲击韧性快速下降，在操作温度异常波动或开停车不规范时脆断失效。如果没有对密封点进行在线连续监控或规范的点巡检，这种失效形式会突然发生，造成巨大的损失。

1.2 垫片的蠕变和应力松弛

提高密封效果，减少泄漏最有效的手段还是提高垫片的性能。由于承受很大的压紧力，所以垫片存在蠕变和应力松弛现象，且发生这种现象的几率随温度的升高而增大。只不过在这个过程中应力和蠕变都是逐渐变化的，在螺栓、法兰、垫片这种结构中，垫片发生应力松弛后也必然会有相应的应变发生，蠕变则必然导致螺栓预紧力和密封能力下降，最终导致法兰连接泄漏。

常见的垫片失效形式为垫片的蠕变松弛失效、垫片的高温回弹性失效和垫片的高温强度失效。

美国压力容器研究委员会(PVRC)早在20世纪80年代就根据典型垫片的管路泄漏率估计，推荐了法兰连接紧密性准则，将密封等级分为3级：

德国TA-Luft和VDI2440规定，法兰接头在0.1MPa试压时检验泄漏率必须≤10-4mbar×l(s×m)。

1.3 法兰长期高温运行的失效分析

1.3.1 法兰的高温蠕变松弛失效

法兰长期高温服役会由于刚度不足引起过度变形，加之法兰与螺栓材料线性膨胀系数的差异造成的变形不协调，法兰会缓慢地产生永久性、不可恢复的塑性变形，从而导致不可修复的泄漏失效。

1.3.2 法兰在高温下的界面泄漏失效

通常是由于法兰加工精度不高、安装不当产生的表面划痕或者在装置开车期间物料中杂质较多、温度升降频繁而造成的。

1.4 法兰接头保温

法兰接头保温能够避免热量损失、节能降碳，也会避免突降暴雨、浇淋法兰接头导致泄漏。但是法兰接头保温后，法兰组件的工作温度升高，随着服役周期的延长，会带来螺栓、法兰及垫片的高温蠕变和松弛问题，密封元件的回弹能力下降，从而引起垫片工作密封比压的显著降低，导致法兰系统的泄漏失效。

1.5 装置紧急停车或暴雨浇淋

法兰、垫片、螺栓在高温操作条件下达到平衡后，因其发生蠕变—松弛，使垫片在一个较低的应力水平达到密封。装置紧急停车或暴雨浇淋法兰接头时，而温度有较大幅度下降，操作压力若不变，因冷缩会使垫片所受的有效压紧力更小，极易发生泄漏。

高温油气法兰密封泄漏防治对策

预防高温油气法兰泄漏，应从规划设计、制造安装、试运验收、生产运维、停工检修和开工检查等方面综合考虑。

设计开始就要充分考虑保证所设计的设备、管道将来投用后, 能长周期运行, 无泄漏, 即所谓“无泄漏设计”。比如，一些不需经常拆卸的部位，能用焊接的, 不用法兰、螺栓连接，尽量减少密封点; 设备、管道要充分考虑常温组装安装高温工作时的膨胀和热应力; 法兰、阀门、螺栓、垫片要选用适当, 某些高温易发生泄漏的部位, 设计时就要考虑升级配置或设置密封状态在线监测预防系统，为预防预测性维护创造条件，降低开车后的运维成本。

图1 静密封零泄漏管理阶段

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针对高温油气法兰早期失效泄漏的主要原因，建议采取如下措施预防泄漏。

2.1 规划设计

2.1.1 螺栓材料的选择

在相同的应力水平下，A193 B16材料的蠕变速率低，蠕变变形比25Cr2MoV的小。A193B16螺栓的抗蠕变性能优于25Cr2MoV。

图2 25Cr2MoV与ASTM A193 B16螺栓材料抗蠕变松弛性能对比

2.1.2 密封垫片的选择

按照“GB/T20801.3-2020压力管道设计和计算规范”5.2.3.4款的规定，高温或承受较大温度梯度的法兰接头，应考虑法兰的高温变形、温差和螺栓材料的应力松弛以及垫片蠕变，选用抗低温交变和蠕变的高性能密封垫片或组件。

随着温度的升高，缠绕垫片的压缩回弹曲线向右移动，说明温度对缠绕垫片的压缩回弹特性的影响较明显。在相同的压紧应力下，随着温度的升高，垫片的压缩曲线逐渐变缓，回弹曲线的斜率逐渐变陡，说明随着温度增加，缠绕垫片变软，且回弹性减小。缠绕垫片SWG和金属碰金属MMC垫片的压缩回弹性能相差很大，MMC垫片的最大压缩比约0.25，而缠绕垫片的最大压缩比约0.15。从压缩曲线看, MMC垫片的压缩曲线比缠绕垫片的压缩曲线平缓，说明MMC垫片的压缩变形比较稳定，产生的压缩量比较大；从回弹曲线看，MMC垫片的回弹曲线比缠绕垫片的回弹曲线平缓，说明MMC垫片的回弹量大，具有较好的回弹性能。

图3 金属碰金属MMC垫片与缠绕垫片SWG的抗蠕变性能曲线

MMC比SWG垫片的应力松弛率小10% - 15%左右，允许过载，不用担心预紧应力过大而压溃垫片；MMC垫片的抗高温蠕变松弛和疲劳能力远高于普通的SWG垫片。

2.1.3 法兰的选用

选择正确的型式，关键设备重要部位高温油气法兰的耐压等级可以选用比常规设计校核最小磅级高1-2个等级。

2.1.4 优化管系减小推力和弯矩

大口径高温油气管线设置一定数量的膨胀节和U型补偿，优化支吊架位置，减小管系推力和弯矩。

2.2 制造安装阶段

应严格按照设计要求及技术规范施工。在法兰垫片安装时, 要认真执行法兰垫片安装五个要点,十五字工作法,即选得对、查得细、清得净、装得正、上得匀，严格按照GB∕T 38343或ASME PCC-1安装技术规定进行定力矩紧固和管理, 选用无反力臂液压扳手、螺栓清洗涂润滑脂和反作用力垫圈，将螺栓预紧力控制在+/-10%之内。

2.3 试运验收阶段

在试运中，对所有密封点应分兵把关，严格检漏，不合格的返工，直到合格为止。

2.4 生产运行阶段

要认真进行点巡检，落实无泄漏网格化管理责任制；对塔顶罐顶或保温层下的不可达高温临氢、高低温交变易漏密封点状态进行在线连续监测，预防泄漏。工艺操作要避免骤然升温、降温，采用耐高温蠕变螺栓、高精度定力矩紧固、抗高低温交变或抗蠕变垫片和泄漏在线连续监测预防措施，保温法兰接头，防止暴雨浇淋急冷法兰接头和热能损失。

根据长江三角洲区域统一标准《DB31/T310007-2021设备泄漏挥发性有机物排放控制技术规范》4.1.3款的规定，不可达密封点或易泄漏密封点可采用连续监控设施实时进行泄漏监控预警，预防泄漏；《GB37822-2019挥发性有机物无组织排放控制标准》8.3.2款规定，配备密封失效检测和报警系统的设备与管线组件可免于泄漏检测。保温或保冷层下高低温交变法兰密封点装设泄漏在线连续监测预防系统，可在第一时间发现报警保温保冷层下或塔顶罐顶法兰密封点的不可见泄漏。