高溫油氣法蘭 是指工作介質(zhì)為有毒有害氣體或揮發(fā)性有機(jī)物、C5及以下輕烴和自燃點(diǎn)低的高溫?zé)嵊颓夜ぷ鳒囟?ge;250℃的管道法蘭、閥門(mén)閥蓋、設(shè)備器壁開(kāi)孔法蘭、熱電偶和溫度計(jì)法蘭等所有螺栓連接的密封點(diǎn)位。 連續(xù)重整、加氫裂化、吸附脫硫、芳烴和乙烯等煉化裝置的部分設(shè)備和管道長(zhǎng)期在高溫下運(yùn)行，法蘭、墊片和螺栓會(huì)逐漸發(fā)生蠕變松弛和密封材料老化現(xiàn)象，導(dǎo)致密封失效和泄漏；在開(kāi)停車(chē)不規(guī)范和操作溫度異常波動(dòng)時(shí)，法蘭連接的密封應(yīng)力和附加載荷也會(huì)發(fā)生非預(yù)期變化，導(dǎo)致密封失效和泄漏。高溫油氣泄漏后如果不能在第一時(shí)間及早發(fā)現(xiàn)并及時(shí)處置，就可能發(fā)生著火、閃爆或中毒，引起裝置非計(jì)劃停車(chē)或局部停車(chē)消缺等安全生產(chǎn)事故。為防止法蘭連接系統(tǒng)發(fā)生泄漏引發(fā)安全事故，高溫油氣法蘭接頭一般不進(jìn)行保溫處理，除非采取高精度定力矩緊固和泄漏在線監(jiān)測(cè)預(yù)防等特別措施。 01 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(tǒng)的主要緊固元件，在高溫下，螺栓的失效不僅對(duì)法蘭連接系統(tǒng)的密封性有影響，更重要的是對(duì)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和安全性有很大的影響。高溫螺栓失效的主要機(jī)制包括蠕變、預(yù)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(tài)下被預(yù)緊的螺栓在溫度和壓力上升至操作條件并穩(wěn)定后，隨著工作時(shí)間的延長(zhǎng)，螺栓會(huì)發(fā)生蠕變，蠕變應(yīng)變的大小取決于螺栓上的應(yīng)力水平和操作溫度。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知，隨著時(shí)間的推移，由于高溫蠕變的作用，螺栓彈性應(yīng)變逐漸變小，剩余應(yīng)力也逐漸變小，這就是螺栓的應(yīng)力松弛。當(dāng)螺栓拉緊力因應(yīng)力松弛變得越來(lái)越小時(shí)，墊片壓緊力也隨著變小，當(dāng)其小于操作狀態(tài)下密封需要的最小墊片壓緊力時(shí)，法蘭接頭開(kāi)始泄漏，導(dǎo)致密封失效。 1.1.2 螺栓預(yù)緊的影響 螺栓預(yù)緊質(zhì)量控制不當(dāng)會(huì)產(chǎn)生附加的彎曲應(yīng)力，疊加溫度及介質(zhì)載荷的波動(dòng)，造成螺栓早期失效；螺栓實(shí)際預(yù)緊力不夠或過(guò)大，高溫或承壓工作時(shí)，法蘭連接也會(huì)泄漏。 表1 螺栓軸向應(yīng)力隨初始預(yù)緊力降低不同幅度所需時(shí)間 t?10000/h 1.1.3 螺栓的脆性斷裂及疲勞失效 螺栓在高溫條件下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)造成螺栓內(nèi)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(dòng)或開(kāi)停車(chē)不規(guī)范時(shí)脆斷失效。如果沒(méi)有對(duì)密封點(diǎn)進(jìn)行在線連續(xù)監(jiān)控或規(guī)范的點(diǎn)巡檢，這種失效形式會(huì)突然發(fā)生，造成巨大的損失。 1.2 墊片的蠕變和應(yīng)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(yīng)力松弛現(xiàn)象，且發(fā)生這種現(xiàn)象的幾率隨溫度的升高而增大。只不過(guò)在這個(gè)過(guò)程中應(yīng)力和蠕變都是逐漸變化的，在螺栓、法蘭、墊片這種結(jié)構(gòu)中，墊片發(fā)生應(yīng)力松弛后也必然會(huì)有相應(yīng)的應(yīng)變發(fā)生，蠕變則必然導(dǎo)致螺栓預(yù)緊力和密封能力下降，最終導(dǎo)致法蘭連接泄漏。 常見(jiàn)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(qiáng)度失效。 美國(guó)壓力容器研究委員會(huì)(PVRC)早在20世紀(jì)80年代就根據(jù)典型墊片的管路泄漏率估計(jì)，推薦了法蘭連接緊密性準(zhǔn)則，將密封等級(jí)分為3級(jí)： 德國(guó)TA-Luft和VDI2440規(guī)定，法蘭接頭在0.1MPa試壓時(shí)檢驗(yàn)泄漏率必須≤10-4mbar×l(s×m)。 1.3 法蘭長(zhǎng)期高溫運(yùn)行的失效分析 1.3.1 法蘭的高溫蠕變松弛失效 法蘭長(zhǎng)期高溫服役會(huì)由于剛度不足引起過(guò)度變形，加之法蘭與螺栓材料線性膨脹系數(shù)的差異造成的變形不協(xié)調(diào)，法蘭會(huì)緩慢地產(chǎn)生永久性、不可恢復(fù)的塑性變形，從而導(dǎo)致不可修復(fù)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(dāng)產(chǎn)生的表面劃痕或者在裝置開(kāi)車(chē)期間物料中雜質(zhì)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(jié)能降碳，也會(huì)避免突降暴雨、澆淋法蘭接頭導(dǎo)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(zhǎng)，會(huì)帶來(lái)螺栓、法蘭及墊片的高溫蠕變和松弛問(wèn)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(dǎo)致法蘭系統(tǒng)的泄漏失效。 1.5 裝置緊急停車(chē)或暴雨澆淋 法蘭、墊片、螺栓在高溫操作條件下達(dá)到平衡后，因其發(fā)生蠕變—松弛，使墊片在一個(gè)較低的應(yīng)力水平達(dá)到密封。裝置緊急停車(chē)或暴雨澆淋法蘭接頭時(shí)，而溫度有較大幅度下降，操作壓力若不變，因冷縮會(huì)使墊片所受的有效壓緊力更小，極易發(fā)生泄漏。 02 高溫油氣法蘭密封泄漏防治對(duì)策 預(yù)防高溫油氣法蘭泄漏，應(yīng)從規(guī)劃設(shè)計(jì)、制造安裝、試運(yùn)驗(yàn)收、生產(chǎn)運(yùn)維、停工檢修和開(kāi)工檢查等方面綜合考慮。 設(shè)計(jì)開(kāi)始就要充分考慮保證所設(shè)計(jì)的設(shè)備、 管道將來(lái)投用后, 能長(zhǎng)周期運(yùn)行, 無(wú)泄漏, 即所謂“無(wú)泄漏設(shè)計(jì)”。比如，一些不需經(jīng)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(diǎn); 設(shè)備、管道要充分考慮常溫組裝安裝 高溫工作時(shí)的膨脹和熱應(yīng)力; 法蘭、閥門(mén)、螺栓、墊片要選用適當(dāng), 某些高溫易發(fā)生泄漏的部位, 設(shè)計(jì)時(shí)就要考慮升級(jí)配置或設(shè)置密封狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)預(yù)防系統(tǒng)，為預(yù)防預(yù)測(cè)性維護(hù)創(chuàng)造條件，降低開(kāi)車(chē)后的運(yùn)維成本。 圖1 靜密封零泄漏管理階段 精細(xì)化工裝置設(shè)計(jì)、多功能車(chē)間的布置設(shè)計(jì)、工藝系統(tǒng)及公用工程設(shè)計(jì)培訓(xùn) 針對(duì)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(yù)防泄漏。 2.1 規(guī)劃設(shè)計(jì) 2.1.1 螺栓材料的選擇 在相同的應(yīng)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(yōu)于25Cr2MoV。 圖2 25Cr2MoV與ASTM A193 B16螺栓材料抗蠕變松弛性能對(duì)比 2.1.2 密封墊片的選擇 按照“GB/T20801.3-2020壓力管道設(shè)計(jì)和計(jì)算規(guī)范”5.2.3.4款的規(guī)定，高溫或承受較大溫度梯度的法蘭接頭，應(yīng)考慮法蘭的高溫變形、溫差和螺栓材料的應(yīng)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(dòng)，說(shuō)明溫度對(duì)纏繞墊片的壓縮回彈特性的影響較明顯。在相同的壓緊應(yīng)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(shuō)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M(fèi)MC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(shuō)明MMC墊片的壓縮變形比較穩(wěn)定，產(chǎn)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(shuō)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M(fèi)MC墊片與纏繞墊片SWG的抗蠕變性能曲線 MMC比SWG墊片的應(yīng)力松弛率小10% - 15%左右，允許過(guò)載，不用擔(dān)心預(yù)緊應(yīng)力過(guò)大而壓潰墊片；MMC墊片的抗高溫蠕變松弛和疲勞能力遠(yuǎn)高于普通的SWG墊片。 2.1.3 法蘭的選用 選擇正確的型式，關(guān)鍵設(shè)備重要部位高溫油氣法蘭的耐壓等級(jí)可以選用比常規(guī)設(shè)計(jì)校核最小磅級(jí)高1-2個(gè)等級(jí)。 2.1.4 優(yōu)化管系減小推力和彎矩 大口徑高溫油氣管線設(shè)置一定數(shù)量的膨脹節(jié)和U型補(bǔ)償，優(yōu)化支吊架位置，減小管系推力和彎矩。 2.2 制造安裝階段 應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求及技術(shù)規(guī)范施工。在法蘭墊片安裝時(shí), 要認(rèn)真執(zhí)行法蘭墊片安裝五個(gè)要點(diǎn),十五字工作法,即選得對(duì)、查得細(xì)、清得凈、裝得正、上得勻，嚴(yán)格按照GB∕T 38343或ASME PCC-1安裝技術(shù)規(guī)定進(jìn)行定力矩緊固和管理, 選用無(wú)反力臂液壓扳手、螺栓清洗涂潤(rùn)滑脂和反作用力墊圈，將螺栓預(yù)緊力控制在+/-10%之內(nèi)。 2.3 試運(yùn)驗(yàn)收階段 在試運(yùn)中，對(duì)所有密封點(diǎn)應(yīng)分兵把關(guān)，嚴(yán)格檢漏，不合格的返工，直到合格為止。 2.4 生產(chǎn)運(yùn)行階段 要認(rèn)真進(jìn)行點(diǎn)巡檢，落實(shí)無(wú)泄漏網(wǎng)格化管理責(zé)任制；對(duì)塔頂罐頂或保溫層下的不可達(dá)高溫臨氫、高低溫交變易漏密封點(diǎn)狀態(tài)進(jìn)行在線連續(xù)監(jiān)測(cè)，預(yù)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(xù)監(jiān)測(cè)預(yù)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(jù)長(zhǎng)江三角洲區(qū)域統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)《DB31/T310007-2021設(shè)備泄漏揮發(fā)性有機(jī)物排放控制技術(shù)規(guī)范》4.1.3款的規(guī)定，不可達(dá)密封點(diǎn)或易泄漏密封點(diǎn)可采用連續(xù)監(jiān)控設(shè)施實(shí)時(shí)進(jìn)行泄漏監(jiān)控預(yù)警，預(yù)防泄漏；《GB37822-2019揮發(fā)性有機(jī)物無(wú)組織排放控制標(biāo)準(zhǔn)》8.3.2款規(guī)定，配備密封失效檢測(cè)和報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)備與管線組件可免于泄漏檢測(cè)。保溫或保冷層下高低溫交變法蘭密封點(diǎn)裝設(shè)泄漏在線連續(xù)監(jiān)測(cè)預(yù)防系統(tǒng)，可在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)報(bào)警保溫保冷層下或塔頂罐頂法蘭密封點(diǎn)的不可見(jiàn)泄漏。 圖4 法蘭密封泄漏在線連續(xù)監(jiān)測(cè)和預(yù)防 精細(xì)化工裝置設(shè)計(jì)、多功能車(chē)間的布置設(shè)計(jì)、工藝系統(tǒng)及公用工程設(shè)計(jì)培訓(xùn) 高危易漏法蘭密封點(diǎn)泄漏在線監(jiān)測(cè)預(yù)防系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)小微泄漏后，及時(shí)采取預(yù)測(cè)性維護(hù)，在密封墊片形成泄漏通道前及時(shí)熱緊，可以避免應(yīng)急堵漏或局部非計(jì)劃停車(chē)消缺。上海某石化廠烯烴裝置塔頂法蘭，2019年8月發(fā)生泄漏，根據(jù)泄漏趨勢(shì)判斷可能發(fā)生大漏，同年9月進(jìn)行預(yù)測(cè)性熱緊維護(hù)，泄漏隱患解除。 圖5 高溫油氣法蘭的預(yù)測(cè)性維護(hù) 2.5 停工檢修階段 對(duì)平時(shí)運(yùn)行中無(wú)法根除的關(guān)鍵老大難泄漏點(diǎn)或堵漏點(diǎn)，應(yīng)分析原因，采取相應(yīng)對(duì)策，或升級(jí)、或改造、或更新，在停工中徹底予以根除。 2.6 開(kāi)工檢查階段 停工檢修后再次開(kāi)車(chē)前的檢查是十分重要的。生產(chǎn)操作工人和維修工人應(yīng)緊密配合從各自不同的角度進(jìn)行檢查，嚴(yán)格把關(guān)，以確保各靜密封點(diǎn)點(diǎn)滴不漏。 要搞好以上零泄漏管理六個(gè)階段,不僅在于人的主觀能動(dòng)性和責(zé)任心，還在于事業(yè)部/運(yùn)行部生產(chǎn)或設(shè)備主管是否能夠抓住關(guān)鍵的少數(shù)、勇于采用新技術(shù)，為基層或一線員工減壓減負(fù)，泄漏早知道，防患于未然，預(yù)防泄漏和裝置非計(jì)劃停車(chē)或局部停車(chē)消缺，科技興安。
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