張宏鋒，靖迎濤，馬輝，佟明高，趙玉升

（中國(guó)石油獨(dú)山子石化分公司第一聯(lián)合車間，新疆 獨(dú)山子 833699)

獨(dú)山子石化公司120萬t/a延遲焦化是由中國(guó)石油工程建設(shè)公司下屬的華東設(shè)計(jì)分公司2007年完成設(shè)計(jì)，采用可調(diào)循環(huán)比，循環(huán)比調(diào)節(jié)范圍控制在0.2～0.6之間。操作彈性60%～120%。裝置采用一爐兩塔工藝，將加熱的減壓渣油經(jīng)過裂解和縮合反應(yīng)生產(chǎn)成為焦炭與油氣。裝置主要分為間歇系統(tǒng)、連續(xù)系統(tǒng)，其中連續(xù)系統(tǒng)包括分餾、吸收穩(wěn)定系統(tǒng)，間歇系統(tǒng)包括焦炭塔、涼水系統(tǒng)。2009年9月投產(chǎn)，主要原料油為減壓渣油，屬于重油組分，油品密度（20℃）1.017g/cm3，操作溫度在500°左右，法蘭泄漏輕則冒煙污染環(huán)境，重則發(fā)生火災(zāi)爆炸事故。由于焦化裝置的主要工藝生產(chǎn)特點(diǎn)為間歇操作，2009年開工以來由于周期性溫變?cè)斐陕菟ㄆ凇㈩A(yù)緊力不足發(fā)生法蘭密封泄漏情況，嚴(yán)重威脅裝置的長(zhǎng)周期安全生產(chǎn)。

1 法蘭泄漏原因分析

導(dǎo)致法蘭泄漏的原因有很多（見圖1），密封墊的原因要占一部分，法蘭連接面是否光潔要占一部分，但最主要的原因還是螺栓預(yù)緊力的影響，因?yàn)槠渥铍y控制。

1.1 設(shè)備工況

焦炭塔是焦化裝置的關(guān)鍵靜設(shè)備，與其相連的油氣管線較多，主要工藝管線均為法蘭連接，操作壓力范圍0～0.3MPa，操作溫度0～500℃，油氣流量變化范圍0～115.5t/h，溫度、流量、壓力循環(huán)周期為24小時(shí)。

1.2 螺栓預(yù)緊力

通常法蘭螺栓安裝一般采用敲擊扳手搭檔大錘的組合方式，以達(dá)到螺栓緊固的目的。判斷螺栓緊固是否到位的標(biāo)準(zhǔn)是借助施工人員的經(jīng)驗(yàn)，用扳手敲擊螺栓聽聲音。這種方法完全是靠經(jīng)驗(yàn)，施加在每套螺栓的力矩值必然會(huì)存在差異，更談不上力矩值的精確。這種緊固方法存在先天的缺陷，敲擊扳手在螺母處的作用點(diǎn)與大錘施加在扳手上的作用點(diǎn)之間存在一個(gè)力臂，施加的緊固力矩會(huì)造成螺栓發(fā)生側(cè)向偏載（見圖2），使螺母與法蘭接觸面之間、螺母與螺桿螺紋嚙合部位摩擦力增加，這部分額外增加的摩擦力不可預(yù)知，力矩?fù)p失也就無法確定，因此加載到螺栓的載荷是不精確的。當(dāng)被密封介質(zhì)工況發(fā)生波動(dòng)時(shí)，法蘭上每套螺栓預(yù)緊力的變化是不同的，當(dāng)螺栓預(yù)緊力變化時(shí)，殘余的力矩值小于法蘭密封所需的的最小力矩值時(shí)就會(huì)發(fā)生泄漏。

圖1 法蘭密封泄漏原因統(tǒng)計(jì)

圖2 扳手類工具存在側(cè)向偏載

1.3 墊片選用

根據(jù)裝置設(shè)計(jì)規(guī)范要求，公稱壓力PN≥10.0MP(CL600)的法蘭采用環(huán)槽型密封配八角型金屬環(huán)：PN≤5.0MPa(CL300)的法蘭，采用突面密封面配纏繞式墊片。針對(duì)頻繁泄漏的法蘭能量隔離后，打開檢查墊片無缺陷。

1.4 法蘭密封形式

查原始設(shè)計(jì)說明，法蘭采用與API閥門相配的中國(guó)石化行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《石油化工鋼制管法蘭》；采用化工部標(biāo)準(zhǔn)《帶頸對(duì)焊鋼制管法蘭（美標(biāo)）》（HG20617-97）的法蘭使用在與設(shè)備相連的位置。檢修泄漏位置法蘭，檢查密封面均無制造缺陷。

綜上所述，該裝置間歇系統(tǒng)法蘭泄漏原因主要由溫度、壓力、流量變化，螺栓預(yù)緊力力矩值不明確等因素造成。任何石油化工裝置的設(shè)備法蘭間均安裝密封墊片，本裝置間歇系統(tǒng)主要采用的密封墊片有波齒墊片、內(nèi)外環(huán)纏繞式墊片。法蘭泄漏具體過程分析，任何形式的密封墊片均有受力承受范圍，假設(shè)螺栓預(yù)緊力過大就會(huì)造成密封墊片失彈，進(jìn)而損壞失效，投用即會(huì)發(fā)生泄漏。假設(shè)螺栓的預(yù)緊力過小，設(shè)備內(nèi)介質(zhì)在溫度升高時(shí)，由于熱傳導(dǎo)的作用，法蘭溫度首先上升，接著螺栓溫度才會(huì)上升，這就造成在工藝生產(chǎn)前期法蘭的溫度是高于螺栓的溫度，溫差造成膨脹系數(shù)不同緊固螺栓被拉伸。此時(shí)螺栓產(chǎn)生的緊固力會(huì)比預(yù)緊力要大，法蘭間密封墊被進(jìn)一步壓縮。隨著時(shí)間的推移螺栓溫度必然會(huì)緩慢上升，最終接近法蘭溫度，密封墊在進(jìn)一步壓縮后并不能完全回彈，螺栓的預(yù)緊力就會(huì)減少一些。當(dāng)工藝操作調(diào)整設(shè)備內(nèi)介質(zhì)發(fā)生變化時(shí)，法蘭和螺栓的的溫度均會(huì)跟隨介質(zhì)下降而下降，但是溫度變化初期螺栓的溫度要高于法蘭的溫度，此時(shí)螺栓的預(yù)緊力進(jìn)一步減少。因此對(duì)于壓力、溫度變化頻繁的法蘭來說，螺栓的預(yù)緊力是逐步減少的。傳統(tǒng)安裝工具造成每套螺栓的預(yù)緊力偏差較大，當(dāng)法蘭內(nèi)部的壓力高于法蘭上任何一套螺栓的預(yù)緊力時(shí)，被密封的介質(zhì)就會(huì)突破密封墊的限制發(fā)生泄漏。泄漏介質(zhì)極易造成法蘭密封面與密封墊損壞，此時(shí)重新施加螺栓緊固力也無用。只能采取應(yīng)急措施解決，例如帶壓堵漏、包焊等。

2 解決泄漏措施

車間嘗試采用高溫預(yù)緊碟簧，使用常規(guī)液壓板手緊固螺栓，這種緊固工具可以預(yù)先設(shè)定緊固力矩值，以此來保證施加在每套螺栓的載荷相同，存在的缺陷是驅(qū)動(dòng)力需要有一個(gè)反作用力臂來配合，否則常規(guī)液壓扳手就不能實(shí)現(xiàn)緊固功能。智能型螺栓（Rotabolt）鎖固雖然可以做到每條螺栓的力矩偏差較小，但是不能滿足溫變使用要求。采用凱特克的DISC拉伸墊圈并配合定力矩緊固技術(shù)不僅解決法蘭泄漏問題，同時(shí)可保障長(zhǎng)周期運(yùn)行。

2.1 碟簧

碟簧是一種承受軸向載荷的錐形環(huán)狀墊圈，碟簧（圖3）使用過程厚度不會(huì)發(fā)生變化，其承受的軸向載荷均勻分布在表面一側(cè)的內(nèi)圈與另一側(cè)的外圈，是一種依靠彈性來完成補(bǔ)償?shù)囊环N元件。當(dāng)螺栓處于緊固狀態(tài)時(shí)，碟簧發(fā)生形變，將形變能量?jī)?chǔ)存，當(dāng)法蘭因?yàn)闇囟鹊仍蜃兓瘯r(shí)，儲(chǔ)存的能量將會(huì)釋放來補(bǔ)償損失的螺栓預(yù)緊力。實(shí)際應(yīng)用過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)碟簧疲勞導(dǎo)致法蘭泄漏，距離使用預(yù)期效果相差較大。

圖3 碟簧形狀圖示

2.2 智能型螺栓(Rotabolt)

專業(yè)技術(shù)人員首先對(duì)法蘭運(yùn)行條件調(diào)研，進(jìn)行計(jì)算來確定螺栓最合適的力矩指示器，保證螺栓不會(huì)發(fā)生力矩過載，同時(shí)確保同一法蘭的每套螺栓緊固力矩值是基本一致。

智能型螺栓（Rotabolt）的特點(diǎn)：①每套螺栓均依管路壓力及溫度設(shè)計(jì)，并逐套預(yù)拉伸及測(cè)試。②可確保每套螺栓達(dá)到鎖緊設(shè)定值時(shí)，可達(dá)到±5%誤差范圍內(nèi)，而達(dá)到平均鎖固的最佳狀態(tài)。③用手即可檢測(cè)螺栓鎖緊力（旋轉(zhuǎn)帽蓋無法旋轉(zhuǎn)表示已達(dá)扭力值，可旋轉(zhuǎn)則表示尚未達(dá)扭力值），投入使用后不需緊固。缺點(diǎn)是需在日常巡檢過程中檢查螺栓是否松動(dòng)來確定是否進(jìn)行在線緊固，不能滿足一個(gè)檢修周期不緊固的要求。

2.3 DISC拉伸墊圈

采用HYTORC公司在2003年推出了一款新的專利產(chǎn)品凱特克的DISC拉伸墊圈螺栓緊固技術(shù)，采用一個(gè)特殊的六角形拉伸墊圈，幾何尺寸和法蘭螺栓的螺母相同。結(jié)合專用驅(qū)動(dòng)器來緊固螺栓，驅(qū)動(dòng)器以拉伸墊圈為著力點(diǎn)，結(jié)合拉伸墊圈下表面與法蘭螺栓孔外表面的摩擦力來平衡反作用力。在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部旋轉(zhuǎn)螺母，實(shí)現(xiàn)螺栓被拉伸目的，進(jìn)而帶動(dòng)墊圈的內(nèi)螺牙環(huán)一起向上移動(dòng)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)器扭矩低于需要克服緊固摩擦力時(shí)，螺栓緊固結(jié)束。如圖4～圖6。

圖4 螺栓內(nèi)部結(jié)構(gòu)標(biāo)注與剖面圖

圖5 拉伸墊圈

圖6 驅(qū)動(dòng)器內(nèi)、外套筒剖面圖

（1）新型墊圈與驅(qū)動(dòng)器配合，無需反作用力臂平衡，在結(jié)構(gòu)上就消除了偏載造成螺栓預(yù)緊力不精確的因素，緊固過程中的沒有偏載造成的摩擦力，降低了未知的摩擦力影響，驅(qū)動(dòng)器的扭矩轉(zhuǎn)換成螺栓預(yù)緊力值就更為精確。采用HYTORC公司專有的螺栓預(yù)緊力控制方案，法蘭緊固力均勻、精確，實(shí)現(xiàn)真正意義上的“零泄漏”。

（2）按照法蘭螺栓扭矩管理方案進(jìn)行工況參數(shù)調(diào)研（表1），依據(jù)調(diào)研結(jié)果結(jié)合ASME制訂的壓力邊界螺栓法蘭連接裝配指南（PCC-1-2010）進(jìn)行綜合分析，科學(xué)制定緊固方案，確保緊固完成后的法蘭零泄漏，長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行。其中為保證法蘭不泄漏，螺栓所需的最小預(yù)緊力由三部分組成：①克服溫差變化所需的預(yù)緊力Pre-Load for TemperatureVariety；②克服內(nèi)壓所需的預(yù)緊力Pre-Load for Testing Pressure；③保證密封墊正常工作所需的預(yù)緊力Pre-Load for Gasket Working Pressure。

表1 現(xiàn)場(chǎng)工況參數(shù)表

（3）緊固示意圖（圖7）與緊固步驟：①在位置1放置液壓扳手，以四同步方式進(jìn)行鎖緊，設(shè)定預(yù)緊力輸出為50%，緊固后測(cè)量并調(diào)整法蘭間隙。②在位置2放置液壓扳手，以四同步方式進(jìn)行鎖緊，設(shè)定預(yù)緊力輸出為50%，測(cè)量并調(diào)整法蘭間隙。③在位置3、4、5依次放置液壓扳手，以四同步方式進(jìn)行鎖緊，設(shè)定預(yù)緊力輸出為100%，測(cè)量并調(diào)整法蘭間隙。④最后用100%的預(yù)緊力，從位置6開始順時(shí)緊固所有螺栓，直至所有螺母不在轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖7

3 結(jié)語(yǔ)

新型無反作用力臂螺栓緊固技術(shù)真正實(shí)現(xiàn)零泄漏，并且得到了石化公司的認(rèn)可，目前在各套裝置推廣應(yīng)用。該技術(shù)徹底根治延遲焦化裝置間歇系統(tǒng)設(shè)備的法蘭泄漏問題，最大限度的降低了檢修風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約了檢修成本。同時(shí)消除了設(shè)備靜密封點(diǎn)的VOC排放，滿足環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)要求，避免了發(fā)生因法蘭泄漏導(dǎo)致的火災(zāi)、爆炸等惡性事故的發(fā)生，為石化裝置的安全平穩(wěn)運(yùn)行和保護(hù)員工的生命安全提供有力保障。