陳　峰，周　良

(中國石油塔里木油田石化分公司　新疆庫爾勒　841000)

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液氨過濾器封頭法蘭密封失效成因分析及解決方案

陳峰，周良

(中國石油塔里木油田石化分公司新疆庫爾勒841000)

針對尿素裝置開車引氨階段液氨過濾器封頭法蘭密封失效原因進行探討分析，提出在法蘭螺栓兩側(cè)安裝預(yù)緊碟簧方案并予以實施，取得了良好的效果。針對尿素裝置高壓合成系統(tǒng)設(shè)備管道法蘭存在密封泄漏隱患，提出建議性解決方案。

法蘭密封失效碟簧

中國石油塔里木油田石化分公司尿素裝置采用SNAM氨汽提法工藝，來自界區(qū)的原料液氨在進入中壓系統(tǒng)前須經(jīng)過液氨過濾器過濾。自2010年5月開工生產(chǎn)運行以來，液氨過濾器封頭法蘭密封在歷次開車引氨階段均出現(xiàn)失效現(xiàn)象，現(xiàn)場數(shù)次更換墊片及緊固螺栓均未能有效解決，導致生產(chǎn)現(xiàn)場操作條件惡化、裝置運行能耗上升、環(huán)境受到污染。

1　封頭法蘭密封失效原因分析

在分析法蘭密封失效時，首先檢查了法蘭的加工質(zhì)量、法蘭的傾斜、法蘭的錯位、法蘭密封面的缺陷，排除了制造質(zhì)量的問題；其次，排除了介質(zhì)對墊片的腐蝕以及壓力波動的影響；最后，根據(jù)該設(shè)備的介質(zhì)特性，認為是溫度變化引起螺栓預(yù)緊力的松弛，從而造成了泄漏。以開車引氨階段液氨過濾器內(nèi)部溫度變化為例，在合成氨裝置尚未生產(chǎn)出滿足尿素裝置開車所需求熱氨的情況下，需從液氨儲罐通過冷氨產(chǎn)品泵泵送一部分冷氨補充至尿素裝置的中壓系統(tǒng)，為了滿足中壓系統(tǒng)對所接受液氨溫度的工藝要求，冷氨產(chǎn)品泵泵送的冷氨先經(jīng)氨加熱器后再進入尿素裝置界區(qū)，由于冷氨溫度提升需要一定時間，使得引氨初期總有一部分低溫液氨(-20 ℃左右)進入液氨過濾器，而正常運行狀態(tài)下合成氨裝置供應(yīng)的液氨溫度為10 ℃左右，近30 K的負溫差變化首先引起法蘭的冷縮，使墊片壓縮量減??；而緊固螺栓處于環(huán)境溫度中，受負溫差影響比法蘭小得多，其冷縮量比法蘭的冷縮量要少得多，原始施加的預(yù)緊力使螺栓有一定的伸長量，并使墊片產(chǎn)生一定的壓縮量(形成一定的比壓),但由于介質(zhì)溫度變化，使螺栓松弛，預(yù)緊力發(fā)生變化，密封比壓下降，從而引起密封泄漏。據(jù)不完全統(tǒng)計，造成法蘭密封泄漏的原因，半數(shù)以上是由于螺栓預(yù)緊力下降所致。

2　預(yù)緊碟簧在解決封頭法蘭密封失效問題中的應(yīng)用

尿素裝置中壓系統(tǒng)液氨過濾器在開車引氨階段不可避免需要承受近30 K負溫差變化，造成封頭法蘭密封頻繁泄漏，現(xiàn)場數(shù)次更換墊片及緊固螺栓均未能有效解決問題。針對螺栓預(yù)緊力松弛這一問題，經(jīng)過多方咨詢，認為在法蘭螺栓兩側(cè)安裝一種彈性機械元件——預(yù)緊碟簧(圖1)，通過精確計算后確定結(jié)構(gòu)形狀并選用合適的材質(zhì),可以在很小的變形下提供足夠的預(yù)緊力載荷，從而有效降低密封失效的風險[1]。

2.1碟簧材質(zhì)的選擇

液氨過濾器封頭法蘭的螺栓規(guī)格為M36 mm×340 mm，材質(zhì)為35CrMoA，8.8級。液氨過濾器為壓力容器，根據(jù)部分常用預(yù)緊碟簧材質(zhì)和適用范圍表(表1)，應(yīng)選擇材質(zhì)為20813的碟簧。

圖1　碟簧安裝示意

表1部分常用預(yù)緊碟簧材質(zhì)和適用范圍

碟簧材質(zhì)適用范圍適用螺栓材質(zhì)設(shè)用設(shè)備屈服強度/(kN·mm-2)適用溫度(螺栓)/℃693F中強度螺栓,高回復(fù)力要求216SS,304SS,15CrMo,20,25高強度螺栓,普通回復(fù)力要求35CrMo,20CrMo,45,35,B7,B8閥門,管線法蘭,泵,壓縮機,離心機,攪拌器180-200～33020813高強度螺栓,高回復(fù)力要求35CrMo,20CrMo,45,35,B7,B8換熱器,壓力容器溫度>330℃的高溫部位220-156～600510銅鋁專用銅、鋁、銅鋁合金電力線100-240～1501075簡易防松,無需精度補償通用通用220-40～176

2.2碟簧結(jié)構(gòu)形式的選擇

圖2　碟簧設(shè)計中考慮的各種力

一般每只螺栓每側(cè)安裝1片碟簧就可以滿足絕大多數(shù)情況下的補償要求。根據(jù)碟簧設(shè)計中考慮的各種力(圖2)可以得出，碟簧達到有效預(yù)緊必須滿足Pmin

在螺栓兩端各添加1片碟簧后，歷經(jīng)數(shù)次開車引氨，液氨過濾器封頭法蘭密封再未發(fā)生泄漏，在改善生產(chǎn)現(xiàn)場操作環(huán)境的同時，降低了裝置運行能耗，減輕了對環(huán)境的污染。預(yù)緊碟簧使用前后封頭法蘭密封情況對比見圖3。

圖3　預(yù)緊碟簧使用前后封頭法蘭密封情況對比

3　解決高壓設(shè)備管道法蘭密封泄漏問題的建議

尿素裝置高壓設(shè)備管道法蘭設(shè)計采用曲面密封，法蘭片之間通過加持金屬自緊密封環(huán)形墊片(橢圓環(huán)形墊片、八角環(huán)形墊片和透鏡環(huán)形墊片)實現(xiàn)連接部位密封[2]，其密封截面形式見圖4。

圖4　高壓設(shè)備管道法蘭密封截面形式

目前，尿素裝置高壓系統(tǒng)主要存在以下幾個部位的外漏隱患：尿素合成塔出液管線調(diào)節(jié)閥(HV1006)后連接法蘭密封，氨汽提塔上部合成尿液進口管線連接法蘭密封，甲銨噴射器液氨進口法蘭密封，CO2壓縮機四段出口放空閥前連接法蘭密封以及CO2壓縮機四段出口溫度計插入接口法蘭密封。在運行過程中，發(fā)現(xiàn)上述部位出現(xiàn)泄漏后，分別通過使用液壓工具或人工敲擊進行螺栓緊固、更換配對法蘭和密封墊片以及帶壓堵漏，均未取得預(yù)期效果。究其根本原因，在于發(fā)生泄漏部位的連接法蘭以及密封墊片的曲面密封面產(chǎn)生了貫通性損傷；此外，泄漏部位更換合格法蘭和密封墊片之后緊固螺栓的均勻度不易掌握。由于系統(tǒng)開停車過程中存在大的溫度和壓力變化(最大差值約為150 K和14.5 MPa)，導致法蘭連接螺栓預(yù)緊力下降，引發(fā)密封面局部泄漏，在泄漏無法迅速消除的情況下，特別是具有強腐蝕性的工藝介質(zhì)在刺漏過程中非常容易損傷曲面密封面。

曲面密封面出現(xiàn)貫通損傷后，無論法蘭密封面還是金屬墊片密封面，不像平面密封面那樣可以采用手磨或機磨進行修復(fù)。即使進行修復(fù)，如果法蘭與墊片密封面的貼合度不好，非常難以通過提高連接螺栓預(yù)緊力來徹底消除在高壓系統(tǒng)開停車階段因大的溫度和壓力變化導致螺栓預(yù)緊力下降所引發(fā)的外部泄漏。如HV1006后連接法蘭密封部位，檢修期間泄漏部位法蘭以及密封墊片均進行了更換，但在檢修完成開車運行后不久再次出現(xiàn)了泄漏。

在法蘭緊固螺栓兩端加裝合適的預(yù)緊碟簧成功解決液氨過濾器封頭法蘭密封失效問題說明，針對因同樣因素導致的高壓設(shè)備管道法蘭密封泄漏，使用預(yù)緊碟簧也應(yīng)該是可行和有效的。

4　結(jié)語

從液氨過濾器封頭法蘭密封泄漏問題的解決中可看出，泄漏是一個比較復(fù)雜多變且常見的問題。煉化裝置多年的運行實踐表明,浮動預(yù)緊碟簧安裝簡單，具有使用螺栓預(yù)緊技術(shù)、高扭力、低行程、厚度大、高溫補償維持的特點,可有效改善密封性能，但必須嚴格按照計算選用符合預(yù)緊力要求和材質(zhì)要求的碟簧，同時配合合適的墊片,在安裝時需按照緊固力要求采用多頭同步扳手依次緊固，才能保證碟簧的作用完全發(fā)揮，從而使法蘭密封泄漏問題得到有效治理，降低裝置維護成本和改善現(xiàn)場操作環(huán)境。

Analysis of Causes of Liquid Ammonia Filter Head Flange Seal Losing Efficacy and Solution

CHEN Feng, ZHOU Liang

(PetroChina Tarim Oil Field Petrochemical Co.Xinjiang Korla841000)

In connection with the causes of liquid ammonia filter head flange seal losing efficacy during startup introducing ammonia stage of urea plant, discussion and analysis are carried out, and a proposal of installing preload disc spring at both sides of flange bolts is suggested and implemented, and good effect has been obtained. In connection with hidden perils of pipe flange seal leakage of high pressure synthesis system of urea plant, constructive solution is proposed.

flangeseallose efficacydisc spring

陳峰(1981—)，男，工程師，從事設(shè)備管理工作；chenfeng_tsh@163.com。

TB42

B

1006- 7779(2016)04- 0046- 04

[1]王志坤，張昕，宋運通，等.預(yù)緊碟簧在煉油裝置的應(yīng)用[J].潤滑與密封，2006(2)：184- 185.

[2]張德姜，王懷義，劉紹葉.石油化工裝置工藝管道設(shè)計安裝手冊：管道器材篇[M].北京：中國石化出版社，2009.

2016- 05- 11)