石油化工裝置的設備和管道法蘭密封問題,不僅涉及到節能和環境污染問題 , 更重要的是關系到裝置的長周期安全運轉。隨著煉油化工工藝技術的進步,要求生產運轉周期越來越長, 工藝操作條件越來越苛刻,使得設備和管道的法蘭泄漏問題更加突出, 近年來應用預緊碟簧技術在治理法蘭密封泄漏方面取得了很好的效果。
1 法蘭密封泄漏原因分析
影響法蘭泄漏的因素很多, 如法蘭的加工質量、法蘭的傾斜、法蘭的錯位、 法蘭密封面的缺陷、螺栓預緊力的松弛、墊片的正確選型及安裝、介質對墊片的腐蝕狀況、壓力的波動以及溫度的變化等,都會對密封效果產生很大的影響。
根據統計,造成法蘭密封泄漏的原因, 50% ～ 80%是由于螺栓預緊力下降導致密封的失效。一般地,螺栓原始施加的預緊力使螺栓有一定的伸長, 并使墊片產生一定的壓縮量 (形成一定的比壓 ),但由于介質溫度變化、介質壓力變化或機械振動等原因, 將使螺栓松弛 , 預緊力發生變化,密封比壓下降而引起密封泄漏。以溫度變化為例, 在初期介質溫度升高首先引起法蘭的膨脹,使墊片壓縮量增加 ;隨著溫度分布均勻, 螺栓溫度升高后螺栓膨脹,會導致預緊力的下降。例如 ,如果墊片壓縮量為0.15 mm, M16×100 mm 的螺栓在溫度升高 135 ℃時會膨脹伸長 0.16 mm, 從而導致預緊力全部消失,密封完全失效 。
2 預緊碟簧的原理和性能
針對螺栓預緊力松弛這一問題,可在法蘭螺栓兩側安裝一種彈性機械元件 ———預緊碟簧。見圖 1。預緊碟簧采用特殊材質,通過精確計算后確定的結構形狀 , 可以在很小的變形下提供足夠的預緊力載荷,從而有效地減少密封失效的風險。
2.1 碟簧的工作原理
碟 簧的 結 構如 圖 2所示,圖中 Do為最大外徑;Di為最小內徑 ;h 為碟片行程;H o為總高度;t為碟片厚度;β為錐形角;R 為碟簧底環半徑;p為受力面壓力。
碟簧在設計時要充分考慮各種力,確保設計的碟簧預緊力和變形關系曲線處于有效區域。
碟簧由于其優秀的壓縮回彈性能 ,可以提供動態的預緊力,補償法蘭螺栓由于熱脹冷縮、振動等引起的螺栓預緊力松弛 。如同上例 , M16 ×100 mm 螺栓增加 20813材質碟簧后,初始預緊力矩為 162.7Nm, 碟簧壓緊行程為 0.28 mm, 溫度升高 135 ℃后引起的螺栓伸長由兩側碟簧變形補償,剩余碟簧變形量為 0.2 mm ,相應地螺栓預緊力矩為 118 Nm,只減少了28%,依然能夠保證密封的效果。
2.2 碟簧材質的選擇
針對不同的使用要求,有多種材料的碟簧可供選擇,一般可以根據螺栓材質選擇碟簧的材質。
2.3 碟簧結構形式的選擇
由于碟簧具有超強補償能力,適用于以下場合:法蘭失效會引發安全事故的場合;溫度有大幅波動的場合;法蘭螺栓長徑比小于3的法蘭;有振動或交變力作用的場合;壓力有大幅波動的場合;其它存在泄漏問題的場所。
一般每個螺栓每側安裝一片碟簧就可以滿足絕大多數情況下的補償要求,對于特殊情況,還可以使用多種組合方式。不同安裝方式具有不同的效果,其壓力和變形的相 互關系如圖 4所示,a為最常用的一片碟簧 ,b 為兩片疊加使用 ,同樣的變形需要 2 倍的壓力,c為 3個墊片組合,同樣的壓力將產生 3倍的變形 ,d為3組疊加墊片組合,2倍的壓力將產生 3倍的變形。
3 碟簧在煉油裝置的應用(相關閱讀：預緊碟簧在油漿蒸汽發生器中的應用)
(1) 華北石化公司加氫裝置中壓蒸汽管線系統存在多處泄漏點。其中,進裝置邊界閥門在 2002年4月開工試運行期間,由于需要頻繁投用和停用中壓蒸汽,當中壓蒸汽投用時,法蘭最高溫度為 350 ℃,當停用中壓蒸汽后,法蘭溫度為 50 ℃左右,由于溫度變化造成法蘭密封面大量泄漏,熱緊也無法消除泄漏 。
該處法蘭規格為 PN100 DN200,密封為鋼質八角墊,螺栓型號 M36 (35C rMoA), 經在螺栓兩端添加高溫碟簧后,經過多次停用、投用中壓蒸汽,再沒有發生泄漏 。
2004年檢修過程中,針對中壓蒸汽系統的泄漏,對溫度變化較頻繁引起泄漏的 15處法蘭,增加安裝了各種規格的碟簧,不僅消除了這些部位的泄漏 ,而且取消了對這些部位的熱緊,至今沒有發生泄漏 。
(2) 揚子石化公司乙烯裝置乙 烯換 熱器 EEA444 (工作壓力為7.1 MPa, 螺栓型號為 M36(25CrMoVA)), 由于換熱器上下不同部件的溫度變化,形成換熱器上下不同部件產生不同的熱脹冷縮 ,隨著工作條件的改變,造成換熱器頻繁出現泄漏 。該設備于 1999年檢修時采用高溫碟簧和波齒墊片組合,補償了溫度變化引起的熱脹冷縮。歷經兩年安全運行,于 2001年大修檢修后,原高溫碟簧依然完好,重復使用運行至今未發生泄漏 。
(3) 揚子石化公司加氫裂化裝置裂解反應器 DC-101B出口法蘭,該設備介質成分復雜 ,工作溫度 427℃, 壓力 16.7 MPa, 瞬間溫度落差達130 ℃左右。該法蘭螺栓規格為 M48 (BB402), 采用高溫碟簧后,使用至今效果良好。
更多關于預緊碟簧密封件的信息，請致電奧賽羅公司0311-87316999。傳真：0311-87316222，奧賽羅公司誠招代理商加盟合作。
