宋福敢

（中安聯(lián)合煤化有限公司，安徽淮南 232001）

0 引言

MTO 裝置是甲醇制烯烴生產(chǎn)工藝核心裝置，其反再單元設(shè)備及附屬工藝管線，介質(zhì)以高溫?zé)煔猓?10 ℃）、高壓蒸汽（3.5 MPa、420 ℃）為主。設(shè)備尺寸較大（例如：再生器裝卸孔法蘭直徑DN2000）。在操作波動(dòng)、溫度壓力變化、風(fēng)雨天氣等條件下，法蘭密封極易發(fā)生泄漏，嚴(yán)重影響裝置安穩(wěn)長周期運(yùn)行。借鑒中石化同類型裝置預(yù)防泄漏工作經(jīng)驗(yàn)，通過在法蘭安裝過程中采用力矩扳手緊固、法蘭螺栓加裝拉伸墊圈等技術(shù)，以及法蘭密封零泄漏標(biāo)準(zhǔn)化施工管理措施，成功解決靜密封泄漏問題。在裝置開工及長時(shí)間的生產(chǎn)運(yùn)行過程中，法蘭密封泄漏控制始終保持較高的水平。

1 法蘭密封泄漏原因分析

不考慮設(shè)計(jì)因素，法蘭密封泄漏通常可歸結(jié)為以下幾方面原因：部件質(zhì)量問題、安裝質(zhì)量問題、緊固質(zhì)量問題、緊固技術(shù)及機(jī)具問題、法蘭密封抵抗溫度壓力波動(dòng)能力不足等。法蘭密封泄漏原因見表1。

2 法蘭密封零泄漏標(biāo)準(zhǔn)化施工管理

法蘭密封零泄漏標(biāo)準(zhǔn)化施工管理是針對(duì)上述法蘭泄漏的原因，采取定力矩緊固施工技術(shù)，保證螺栓緊固力矩均勻合理；加裝拉伸墊圈或無力臂墊圈，提升緊固力精度和均勻性并防止溫度壓力波動(dòng)引起的螺栓松弛；按照標(biāo)準(zhǔn)化的施工組織和過程控制進(jìn)行施工管理，確保施工質(zhì)量符合要求。

2.1 成立標(biāo)準(zhǔn)化施工管理小組

標(biāo)準(zhǔn)化施工管理小組成員包括設(shè)備技術(shù)管理部門、運(yùn)行部、專業(yè)技術(shù)服務(wù)商、施工單位的技術(shù)管理人員等。職責(zé)包括：按照分級(jí)控制的原則，確定法蘭控制級(jí)別；制定不同級(jí)別法蘭標(biāo)準(zhǔn)化施工方案、施工組織、施工過程控制、驗(yàn)收及總結(jié)等。

2.2 分析法蘭連接標(biāo)準(zhǔn)化管理和施工方案

分析討論法蘭連接標(biāo)準(zhǔn)化管理的分級(jí)管理方向和施工方案，確定《法蘭標(biāo)準(zhǔn)化施工清單》。清單內(nèi)容包括：法蘭參數(shù)、泄漏風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別、緊固扭矩、分級(jí)管控措施等。

2.2.1 法蘭數(shù)據(jù)的收集

內(nèi)容包括法蘭名稱、位置、規(guī)格型號(hào)、材料，螺栓規(guī)格型號(hào)、材料，操作壓力、溫度，介質(zhì)等。對(duì)操作溫度壓力波動(dòng)大、承受交變載荷、位置特殊不易熱緊、以往發(fā)生過泄漏等情況作特別說明。

表1 法蘭密封泄漏原因

2.2.2 A、B、C 分級(jí)控制

（1）分析法蘭泄漏概率、泄漏原因、安裝質(zhì)量控制難易、泄漏產(chǎn)生的后果等因素，將法蘭安裝過程控制進(jìn)行A、B、C 分級(jí)。A類：高溫高壓臨氫、高溫?zé)嵊?、中壓蒸汽、公稱直徑≥500 mm、塔或重要容器側(cè)線第一道閥門以內(nèi)法蘭、操作溫度壓力波動(dòng)大、承受交變載荷、位置特殊不易熱緊、發(fā)生過泄漏部位、泄漏危害程度高等。A 類法蘭施工由施工單位、運(yùn)行部、設(shè)備工程部聯(lián)合確認(rèn)；B類：工作溫度≥150 ℃且工作壓力>4.0 MPa 或介質(zhì)為易燃易爆有毒。B 類法蘭施工由施工單位、運(yùn)行部雙方確認(rèn)；C 類：上述條件以外的一般性部位，施工過程由施工單位技術(shù)人員確認(rèn)。

（2）施工技術(shù)分級(jí)控制措施：通過統(tǒng)計(jì)篩選，綜合分析泄漏影響因素，確定反應(yīng)器、三旋、再生器裝卸孔以及煙機(jī)短接法蘭等7 對(duì)A 類法蘭加裝拉伸墊圈進(jìn)行無偏載拉伸緊固；反應(yīng)器頂部放空、甲醇進(jìn)料線等55 對(duì)B 類法蘭加裝無力臂墊圈進(jìn)行無偏載緊固；開工高溫蒸汽、反應(yīng)器外取熱器上封頭等81 對(duì)C 類法蘭采用普通定力矩緊固。

2.2.3 螺栓緊固力矩計(jì)算

（1）螺栓緊固力矩計(jì)算依據(jù)CSEI/JX 0004—2018《法蘭密封結(jié)構(gòu)安裝技術(shù)規(guī)范》、GB 150—2011《壓力容器》、ASME PCC-1—2013《壓力邊界螺栓法蘭連接裝配指南》、TSG R21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》等國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并參照力矩扳手廠家說明書中的力矩值表和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)確定。

（2）按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算力矩值?？紤]緊固時(shí)摩擦力等因素，螺栓預(yù)緊力矩為式（1）、式（2）。

K 是力矩系數(shù)。螺栓用二硫化鉬潤滑時(shí)K=0.15左右；不加潤滑時(shí)，K 平均取0.3 左右。d 是螺栓公稱直徑，mm。

F0是預(yù)緊力。бs是螺栓屈服強(qiáng)度，MPa。As是螺栓有效面積，mm2。

2.3 密封墊片的合理選擇與法蘭密封力矩確定

結(jié)合設(shè)計(jì)要求、同類型裝置經(jīng)驗(yàn)、新產(chǎn)品新技術(shù)應(yīng)用、個(gè)別法蘭的特殊性等，精準(zhǔn)施策，確定墊片類型?？蛇x用金屬環(huán)墊、纏繞墊、柔性石墨復(fù)合墊片、柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊片、雙金屬自緊波齒墊片等。

2.3.1 不同型式墊片選擇

（1）環(huán)槽法蘭選用金屬環(huán)墊。

（2）纏繞墊選擇：榫槽法蘭選用基本型，凹凸法蘭選用帶內(nèi)環(huán)型，平面或凸面法蘭選用帶內(nèi)外環(huán)型。

（3）柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊片和雙金屬自密封波齒復(fù)合墊片選擇：榫槽法蘭、凹凸法蘭選用基本型墊片；平面法蘭或凸面法蘭選用帶外環(huán)型或定位耳型墊片。其中較大直徑法蘭建議選用定位耳型墊片。

2.3.2 根據(jù)工藝介質(zhì)參數(shù)及使用條件選擇墊片

工藝介質(zhì)為高溫高壓時(shí)，要求墊片材料有足夠的承壓能力和耐溫性能，應(yīng)選用結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、密封性能好的金屬墊片或金屬復(fù)合墊片。例如：雙金屬自密封波齒復(fù)合墊、柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊或纏繞墊、金屬環(huán)墊等。

壓力、溫度波動(dòng)或系統(tǒng)振動(dòng)大，以及泄漏后果嚴(yán)重的易燃易爆、毒性大等位置，應(yīng)選用密封性能好且具有良好回彈特性和補(bǔ)償能力的墊片。例如：雙金屬自密封波齒復(fù)合墊片、柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊片或纏繞式墊片等。

2.3.3 大直徑法蘭墊片選擇

大直徑法蘭（DN500 以上）施工難度高，溫度壓力變化時(shí)，法蘭更易產(chǎn)生變形，是靜密封泄漏的重災(zāi)區(qū)。在相同條件下，應(yīng)選用更高性能的墊片。

（1）低溫低壓、介質(zhì)非易燃易爆或有毒有害的大直徑法蘭可選用柔性石墨復(fù)合墊片。為了提高墊片對(duì)法蘭表面粗糙度和宏觀不平度的補(bǔ)償能力，保證密封的可靠性，大直徑法蘭要考慮適當(dāng)增加墊片厚度。必要時(shí)，可根據(jù)法蘭表面粗糙度、宏觀不平度等參數(shù)，通過設(shè)計(jì)計(jì)算確定墊片厚度。

（2）高溫高壓、溫度壓力變化大、系統(tǒng)振動(dòng)大或泄漏后果嚴(yán)重的易燃易爆、毒性大位置大直徑法蘭，優(yōu)先選用雙金屬自密封波齒復(fù)合墊片。

（3）DN500～DN800 的平面或凸面法蘭可選用帶內(nèi)外環(huán)纏繞式墊片。

2.3.4 編制法蘭密封力矩緊固清單及驗(yàn)收表（表2）

表2 ×××裝置—法蘭密封力矩緊固清單及驗(yàn)收表

2.4 人員培訓(xùn)

施工前，對(duì)施工管理和安裝人員進(jìn)行多輪次培訓(xùn)。培訓(xùn)內(nèi)容包括：法蘭連接的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、施工內(nèi)容、法蘭連接質(zhì)量檢查與驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)、緊固機(jī)具使用的理論與實(shí)操、各級(jí)人員的職責(zé)等。培訓(xùn)考核分為筆試與實(shí)操兩部分。培訓(xùn)考核合格后頒發(fā)上崗標(biāo)識(shí)帽貼。

2.5 機(jī)具管理

2.5.1 指定專人負(fù)責(zé)機(jī)具管理

做好保管、檢測校驗(yàn)、貼標(biāo)、修理等工作。機(jī)具主要包括力矩扳手及配套部件、潤滑噴劑、游標(biāo)卡尺、水平尺、螺栓清洗工具、安全防護(hù)用具等。

2.5.2 力矩扳手管理

力矩扳手包括液壓、電動(dòng)、手動(dòng)、氣動(dòng)扳手。建議盡量使用液壓力矩扳手。M42 以下螺栓可以使用電動(dòng)扳手；M27 以下螺栓可使用帶有倍增器的手動(dòng)扭矩扳手；氣動(dòng)扳手因輸出力矩不穩(wěn)定，不推薦使用。

2.6 法蘭連接密封緊固節(jié)點(diǎn)管控

2.6.1 螺栓、螺母清洗與檢查

螺栓、螺母浸泡在煤油中（>30 min），用鋼絲刷去除鐵銹；螺栓與螺母手動(dòng)試旋，無卡澀和晃動(dòng)現(xiàn)象；清理后螺栓、螺母配對(duì)聯(lián)結(jié)，就近碼放整齊，并做好保護(hù)。

2.6.2 法蘭螺孔表面清洗與檢查

法蘭螺孔表面清潔和去除鐵銹；表面有痕跡、毛刺、翻邊、腐蝕的要打磨拋光；有溝槽、凹坑、缺損等嚴(yán)重缺陷，需補(bǔ)焊、打磨、拋光。

2.6.3 法蘭密封面清洗與檢查

（1）密封面不得有銹蝕、污垢、焊瘤等；有缺口、凹坑、溝槽等嚴(yán)重缺陷，需機(jī)加工修復(fù)。

（2）法蘭密封面平整度測量，不符合要求的應(yīng)進(jìn)行加工修復(fù)（表3）。

表3 法蘭密封面平整度要求

（3）法蘭連接件調(diào)整。檢查以下項(xiàng)目并進(jìn)行加工修復(fù)。①法蘭對(duì)中：法蘭邊緣之間差值≤1.5 mm（圖1）；②法蘭平行度：法蘭最大和最小開口距離≤0.8 mm（圖2）；③法蘭螺孔錯(cuò)位：法蘭孔對(duì)中偏差≤3 mm（圖3）；④法蘭閉合距離：法蘭閉合間隙≤2倍墊片厚度（圖4）。

2.6.4 墊片檢查與安裝

確認(rèn)墊片尺寸和材料與密封面相匹配；檢查墊片無明顯缺損或貫穿傷痕；墊片與密封面同心，放置在適當(dāng)位置；金屬環(huán)墊安裝前，需做接觸線檢查。

（1）密封槽。高壓法蘭密封槽表面不得有明顯表面劃痕及局部凹坑等缺陷。用八角墊檢查時(shí)，其密封面接觸線應(yīng)連續(xù)。

（2）八角墊、波齒墊。八角墊放入法蘭梯型槽內(nèi)，其兩邊密封線應(yīng)接觸均勻，不得存在間隙，八角墊底邊與法蘭梯型槽底應(yīng)有一定的間隙。波齒墊不得有變形和明顯劃痕及局部凹坑等缺陷。

每個(gè)高壓法蘭梯形槽密封面、八角墊檢查都要留取記錄，有缺陷的需檢查人員確認(rèn)。

2.6.5 螺栓螺母潤滑

螺栓螺母潤滑要求250 ℃以下使用二硫化鉬潤滑脂，250 ℃以上使用高溫抗咬合劑。

2.6.6 螺栓緊固實(shí)施

圖1 法蘭對(duì)中

圖2 法蘭平行度

圖3 法蘭螺孔錯(cuò)位

圖4 法蘭閉合距離

可采取以下三種緊固方案（以24 顆螺栓為例）：

（1）星形緊固方式（圖5）。按圖5 所示方法對(duì)螺栓進(jìn)行編號(hào)。①20%～30%的安裝螺栓力矩，按星形方式，依次緊固螺栓1、13、7、19—4、16、10、22—2、14、8、20—5、17、11、23—3、15、9、21—6、18、12、24；②50%～70%的安裝螺栓力矩，緊固次序與①相同；③100%的安裝螺栓力矩，緊固次序與①相同；④100%的安裝螺栓力矩，按環(huán)繞圓周方式，依次緊固螺栓1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24，直到螺母不松動(dòng)為止。由于彈性交互變形，當(dāng)緊固某個(gè)螺栓時(shí)，相鄰的螺栓載荷會(huì)降低（螺母松動(dòng)），故需要多次循環(huán)緊固螺栓；⑤（可任選）：④在③完成后4 h 再進(jìn)行。以100%的安裝螺栓力矩，按環(huán)繞圓周方式依次緊固螺栓，直到螺母不松動(dòng)為止。

（2）交叉緊固方式（圖6）。該方案緊固方式不同于傳統(tǒng)星形方式，是按螺栓順序以交叉方式，不需要裝配者在法蘭上對(duì)螺栓進(jìn)行編號(hào)。①20%～30%的安裝螺栓力矩依次緊固螺栓1、13、7、19；②50%～70%的安裝螺栓力矩依次緊固螺栓2、14、8、20；③100%的安裝螺栓力矩依次緊固螺栓3、15、9、21—4、16、10、22—5、1、7、11、23—6、18、12、24；④（如需要）：100%的安裝螺栓力矩依次緊固螺栓1、13、7、19—2、14、8、20—3、15、9、21—4、16、10、22—5、17、11、23—6、18、12、24；⑤100%的安裝螺栓力矩，按環(huán)繞圓周方式依次緊固螺栓1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24，直到螺母不松動(dòng)為止。

圖5 星形緊固方式

（3）同步緊固方式（圖7）。該方案適用采用多個(gè)緊固工具的多螺栓同步緊固方法（液壓扳手），2 個(gè)安裝工具同時(shí)緊固。①30%的安裝螺栓力矩依次緊固螺 栓1 和13，7 和19；②60%的安裝螺栓力矩依次緊固螺栓1 和13，7 和19；③100%的安裝螺栓力矩依次緊固螺栓1 和13，7 和19；④100%的安裝螺栓力矩，按環(huán)繞圓周方式2 個(gè)工具180°錯(cuò)開，依次緊固螺栓，直到螺母不松動(dòng)為止。

圖6 交叉緊固方式

2.6.7 螺栓緊固后測試

（1）錘擊測試。螺栓緊固完成后，對(duì)法蘭螺栓進(jìn)行錘擊測試，觀察是否松動(dòng)，檢查有無漏緊。

（2）抽檢測試。按螺栓數(shù)量20% 檢查緊固扭矩值。

2.7 掛牌

施工人員對(duì)其施工的靜密封掛牌，標(biāo)明施工人員姓名、施工日期等。

2.8 驗(yàn)收

標(biāo)準(zhǔn)化施工管理小組成員按照《法蘭密封力矩緊固清單及驗(yàn)收表》適時(shí)進(jìn)行檢查確認(rèn)，驗(yàn)收合格進(jìn)入下一道工序。

3 質(zhì)量目標(biāo)

法蘭密封零泄漏標(biāo)準(zhǔn)化施工管理質(zhì)量目標(biāo)。①A 類法蘭開工投料過程中“零熱緊、零冷緊、零泄漏”；②B、C類法蘭開工氣密一次通過；③A 類法蘭運(yùn)行一個(gè)月后，LDAR 檢測泄漏量≤2×10-4，氣體報(bào)警儀檢測合格。

圖7 同步緊固方式

4 結(jié)束語

MTO 裝置反再單元泄漏的介質(zhì)有高溫工藝氣、高溫?zé)煔?、高壓蒸汽，高溫高壓、易燃易爆，泄漏后果?yán)重。通過對(duì)143 對(duì)重點(diǎn)部位法蘭采用標(biāo)準(zhǔn)化施工管理，經(jīng)處理后的法蘭螺栓具有載荷范圍內(nèi)均勻的拉伸預(yù)緊力，能承受大范圍溫度、壓力波動(dòng)所導(dǎo)致的螺栓拉伸力的變化，有效避免開工過程及生產(chǎn)運(yùn)行中法蘭泄漏，保證法蘭密封長周期無泄漏。

法蘭密封零泄漏標(biāo)準(zhǔn)化施工管理技術(shù)大幅提高法蘭靜密封抗沖擊能力，密封泄漏和檢修次數(shù)大幅減少，是保證裝置長周期、安全、環(huán)保運(yùn)行的有效措施。