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大型換熱器法蘭泄漏問題探討

文檔作者：韓冰赫榮鑫文檔來源： 1．中國石油遼陽石化公司動(dòng)力廠 2．中國石油遼陽石化公司煉油廠		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2022年03月19日
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一
60一 一安全密封 2石0油和化工設(shè)備
10年第13卷
大型換熱器法蘭泄漏問題探討
韓冰 ，赫榮鑫
(1．中國石油遼陽石化公司動(dòng)力廠， 遼寧遼陽1 1 1003)
(2．中國石油遼陽石化公司煉油廠， 遼寧遼陽11 1 003)
[摘要]對大型換熱器法蘭泄漏原因進(jìn)行了分析，對密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了解決方案。
[關(guān)鍵詞]換熱器法蘭；密封：泄漏
管殼式換熱器作為一種傳統(tǒng)的換熱設(shè)備，廣
泛應(yīng)用于工業(yè)各個(gè)領(lǐng)域，特別是在化工、石油、
能源等部門處于主導(dǎo)地位。當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步
和過程工業(yè)向大型化發(fā)展都對換熱器提出了新的
要求，特別是換熱器向高溫、高壓、大容量、高
效益等方向發(fā)展，管殼式換熱器無論是設(shè)計(jì)理論
還是應(yīng)用實(shí)踐都面臨著? 系列的挑戰(zhàn)。大型換熱
器(直徑一壓力組合較大)的使用越來越多，在
大多數(shù)情況下， 即使法蘭直徑已超出現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)，
但仍傾向采用法蘭式結(jié)構(gòu)，隨之而來的是設(shè)備密
封結(jié)構(gòu)的泄漏問題。健康安全環(huán)保(HSE)標(biāo)準(zhǔn)
日益提高，如何解決泄漏成為越來越重要的課
題。本文對此進(jìn)行分析并提出一些解決方案。
1密封性能分析
傳統(tǒng)法蘭連接結(jié)構(gòu)的密封屬于強(qiáng)制密封，
法蘭間的密封依靠主螺栓的預(yù)緊作用均勻地壓緊
墊片，使法蘭密封面上的凸凹不平面借助墊片變
形而填滿， 阻止界面泄漏。當(dāng)設(shè)備承受介質(zhì)壓力
后， 螺栓受到拉應(yīng)力而伸長，法蘭密封面沿著彼
此分離的方向移動(dòng)，密封面與墊片之間的壓緊力
下降，墊片的壓縮量減少，預(yù)緊密封比壓下降。
如果這時(shí)密封墊片具有足夠的回彈能力使之大于
密封面兩側(cè)壓差形成的泄漏推動(dòng)力，則法蘭依然
保持良好的密封狀態(tài)。反之密封失效。在石油化
工裝置中，這種密封結(jié)構(gòu)的泄漏問題時(shí)常出現(xiàn)。
當(dāng)換熱器直徑較大時(shí)，這種結(jié)構(gòu)泄漏的可能性會(huì)
增大。造成泄漏的原因是復(fù)雜的，操作條件(如
操作溫度、壓力波動(dòng)、介質(zhì)的化學(xué)物理性能)、
螺栓預(yù)緊力、墊片密封性能、法蘭密封面特征、
法蘭剛度和螺栓剛度、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算方法、制
造質(zhì)量、安裝情況等諸多環(huán)節(jié)都可能導(dǎo)致泄漏發(fā)
生。雖然導(dǎo)致密封失效的原因很多，但毫無疑問
傳統(tǒng)的法蘭密封形式和設(shè)計(jì)方法對大直徑(直
徑一壓力組合超出現(xiàn)有法蘭標(biāo)準(zhǔn))的換熱器來說
具有某些先天缺陷。本文僅就設(shè)計(jì)方法和法蘭密
封結(jié)構(gòu)形式兩方面進(jìn)行分析。
1．1設(shè)計(jì)方法
目前法蘭密封設(shè)計(jì)一般采用GB1 50規(guī)定的設(shè)
計(jì)方法，這種方法是以應(yīng)力極限為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)?；?
于應(yīng)力極限的設(shè)計(jì)方法，不能提供密封性能的保
證，僅能避免法蘭總體的塑性變形，但對密封結(jié)
構(gòu)的泄漏情況沒有定量的分析，因而不能了解所
設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)可能泄漏的程度。
1．2結(jié)構(gòu)形式
傳統(tǒng)的法蘭密封結(jié)構(gòu)形式通常存在下列問
題：
(1)設(shè)備存在較大的溫差，使法蘭和螺栓產(chǎn)
生較大的變形差異，造成某些部位墊片應(yīng)力低于
密封條件所需的最低值，導(dǎo)致泄漏發(fā)生；
(2)當(dāng)工作壓力較大時(shí)， 直徑大的法蘭結(jié)
構(gòu)需要更大的螺栓載荷， 因而螺栓規(guī)格或數(shù)量需
要更大或更多，使法蘭徑向力臂加大，加之自身
截面大， 因而整體剛性差，使得密封的可靠性下
降， 密封結(jié)構(gòu)的泄漏率與工作壓力呈線型增長關(guān)
系； 由于螺栓載荷較大， 為避免被過度壓緊而使
墊片失效，墊片需要較大的寬度。墊片越寬，墊
片應(yīng)力的徑向均勻度越差， 泄漏的可能性就越
大；
(3)直徑越大，預(yù)緊力的均勻性也越差，某
些部位因過度預(yù)緊導(dǎo)致墊片塑性變形而失效的可
能性增加； 密封面的加工愈發(fā)困難，平面度就愈
難保證；墊片材料和尺寸的均勻性也愈難保證。
2解決方案
基于上述分析，建議換熱器直徑超出現(xiàn)有法
作者簡介：韓冰(1 98O一)，男，黑龍江佳木斯人，本科學(xué)
歷，助理工程師，在遼陽石化分公司動(dòng)力廠從事設(shè)備管理工作。
第10期 韓冰等大型換熱器法蘭泄漏問題探討 一61一
蘭標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)進(jìn)行特殊考慮。以
下提出針對不同情況的解決方案。
2．1傳統(tǒng)的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法
對于一般的泄漏率要求且直徑一壓力組合超
出法蘭標(biāo)準(zhǔn)范圍不多的情況，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法仍
不失為一種便捷的選擇。在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，現(xiàn)有規(guī)
范設(shè)計(jì)具有長期且成功的使用經(jīng)驗(yàn)， 能滿足一般
的要求，如果超出法蘭標(biāo)準(zhǔn)范圍不多，在傳統(tǒng)設(shè)
計(jì)方法的基礎(chǔ)上適當(dāng)增加螺栓截面積及法蘭力矩
的裕量(建議20％一30％)，并對法蘭結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)
行最大限度的優(yōu)化，即可較好地彌補(bǔ)密封設(shè)計(jì)方
面的不足。
2．2基于強(qiáng)度和剛度要求的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法『1
傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是以強(qiáng)度破壞為失效準(zhǔn)則，
這種方法假設(shè)法蘭為完全剛性，它應(yīng)用于現(xiàn)有的
標(biāo)準(zhǔn)法蘭是可靠的。當(dāng)直徑超出標(biāo)準(zhǔn)范圍時(shí)，法
蘭可能由于剛度不足而不能控制其密封的泄漏。
對于這種情況，ASME．Ⅷ ．1 2007版的法蘭設(shè)計(jì)
標(biāo)準(zhǔn)中正式將法蘭的剛性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則引入其中作為
強(qiáng)制性規(guī)定，規(guī)定法蘭除了滿足常規(guī)的強(qiáng)度要求
外，還應(yīng)滿足剛度要求， 即要求剛度指數(shù)J<1．0。
對于整體式法蘭：
J=52．14VM0／(LE Klh0)<1．0 (1)
式中：V、L一法蘭系數(shù)；M。一法蘭的總彎
矩，N·mm；E一法蘭材料的彈性模量，MPa；
K 一剛度系數(shù)，K。=0．3；g。、h。一法蘭的結(jié)構(gòu)參
數(shù)，mm。
根據(jù)強(qiáng)度計(jì)算初步確定法蘭的結(jié)構(gòu)尺寸后，
按式(1)校核法蘭的剛度，當(dāng)計(jì)算J>1．0時(shí)，應(yīng)增
加法蘭環(huán)的厚度直至J<1．0。
2-3基于強(qiáng)度和緊密度要求的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法口
基于強(qiáng)度和剛度要求的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法比
傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法有了很大進(jìn)步，在許多工況下證
明是可行的，但這種方法對于密封的考慮仍缺乏
系統(tǒng)性，操作所需的墊片應(yīng)力也僅按經(jīng)驗(yàn)確定，
不能定量計(jì)算泄漏的程度，即不能保證泄漏率在
規(guī)定的范圍內(nèi)。美國壓力容器研究委員會(huì)提出了
法蘭密封結(jié)構(gòu)基于強(qiáng)度和緊密度失效準(zhǔn)則的設(shè)計(jì)
方法，較好地解決了這一問題。這種方法將密封
失效準(zhǔn)則作為法蘭密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則之
一
， 明確提出以緊密度作為表征密封結(jié)構(gòu)泄漏程
度的衡量指標(biāo)， 因此可將法蘭設(shè)計(jì)要求按緊密度
級別區(qū)分，不同緊密度級別對應(yīng)不同的最低泄漏
率要求。該方法的具體做法是：
(1)根據(jù)工況和相關(guān)要求確定對墊片量化的
緊密度(泄漏率)要求；
(2)根據(jù)緊密度要求對墊片進(jìn)行泄漏試驗(yàn)以
確定墊片系數(shù)，并得到指定緊密度參數(shù)下最佳墊
片裝配應(yīng)力與墊片應(yīng)力變化量的關(guān)系；
(3)計(jì)算確定達(dá)到指定緊密度所需要的最佳
螺栓載荷；
(4)計(jì)算出螺栓載荷后，法蘭的強(qiáng)度計(jì)算仍
按常規(guī)方法進(jìn)行。
這種設(shè)計(jì)方法將墊片應(yīng)力與泄漏率關(guān)聯(lián)，
同時(shí)滿足了強(qiáng)度和密封性要求，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)
方法缺乏密封性準(zhǔn)則的缺陷， 并對緊密度級別劃
分。這種設(shè)計(jì)方法比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法提供了更大的
靈活性， 特別對含毒性介質(zhì)的工況具有重要意
義，能更好地滿足HSE的要求。
2．4密封結(jié)構(gòu)的有限元應(yīng)力分析設(shè)計(jì)方法
有限元應(yīng)力分析設(shè)計(jì)方法將法蘭、墊片及螺
栓作為一個(gè)整體來研究， 系統(tǒng)地考慮墊片受力的
均勻性、外載荷、連接系統(tǒng)的剛度、溫差造成的
變形差異以及溫度壓力波動(dòng)等因素， 可計(jì)算法蘭
的變形、墊片材料的非線性特征以及螺栓的彎曲
對墊片應(yīng)力分布的影響， 預(yù)測密封結(jié)構(gòu)真實(shí)復(fù)雜
的變形一密封行為，并與泄漏建立定量關(guān)系，更
加有效準(zhǔn)確地評價(jià)法蘭連接系統(tǒng)的強(qiáng)度和密封性
能。
3改進(jìn)措施
3．1螺栓連接間采用碟簧墊圈
法蘭直徑較大時(shí)，墊片反力的均勻度較差。
當(dāng)壓力和溫度較高， 特別是操作條件頻繁波動(dòng)
時(shí)，要求墊片具有足夠和穩(wěn)定的回彈很困難， 因
為初始密封時(shí)具有較大預(yù)應(yīng)力的墊片，一方面受
溫度和壓力的共同作用將產(chǎn)生顯著的蠕變和應(yīng)力
松弛；另一方面墊片材料發(fā)生氧化或熱分解，其
屈服極限降低，導(dǎo)致塑性變形量增大。這兩個(gè)因
素都將導(dǎo)致墊片回彈性能下降， 高溫高壓和操作
條件頻繁波動(dòng)同時(shí)也易造成螺栓的應(yīng)力松弛， 當(dāng)
墊片回彈不足以補(bǔ)償溫度、壓力引起的密封面分
離和高溫下密封結(jié)構(gòu)的蠕變松弛時(shí)，就會(huì)發(fā)生介
質(zhì)的泄漏。這種情況下在螺栓連接間加入碟簧墊
圈可及時(shí)補(bǔ)償密封墊片回彈的不足。碟簧墊圈采
用高彈性合金材料制成， 具有低行程和高補(bǔ)償?shù)?
特點(diǎn)，能通過很小的變形提供足夠的預(yù)緊載荷、
吸收溫度壓力波動(dòng)造成的應(yīng)力松弛，較好地補(bǔ)償
法蘭和密封材料的變形。

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