陳平平，胡德豪，馬學(xué)琪，邱麗生

(福建聯(lián)合石油化工有限公司，福建 泉州 362800)

圖1 焊唇密封結(jié)構(gòu)示意

某石化公司的POX裝置(Partial Oxidation)采用Shell瀝青氣化工藝生產(chǎn)合成氣和氫氣。在氣化爐的出口，設(shè)置有一超高壓廢熱鍋爐(簡稱廢鍋)，用于將氣化反應(yīng)生成的高溫合成氣降溫，同時副產(chǎn)超高壓飽和蒸汽。該P(yáng)OX裝置是國內(nèi)規(guī)模最大、單爐負(fù)荷最高的瀝青氣化裝置，其配套廢鍋也是國內(nèi)最大的。廢鍋制造商為德國某B公司。其工作原理為：將氣化爐過來的高溫高壓合成氣通過廢鍋的管束與廢鍋殼體中的水進(jìn)行換熱，從而產(chǎn)出超高壓飽和蒸汽；同時合成氣被冷卻降溫。廢鍋的殼體設(shè)計(jì)溫度350 ℃，正常操作溫度約329 ℃；設(shè)計(jì)壓力16.68 MPa，操作壓力12.8 MPa。殼體的大法蘭直徑3 272 mm，采用焊唇密封。整個密封主要由螺栓(本文案例采用雙頭螺柱，下同)承受由內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向力。法蘭采用32根φ145 mm×1 405 mm的雙頭螺柱進(jìn)行緊固，其密封結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該廢鍋?zhàn)?009年開工投用以來，本體大法蘭多次出現(xiàn)焊縫泄漏，如圖2和圖3所示。當(dāng)泄漏發(fā)生時，只能緊急制作專用卡具，用高溫膠臨時帶壓封堵，維持生產(chǎn)運(yùn)行。隨著時間推移，泄漏量會逐步增大，最終不得不被迫停車。然而，即使停車后對廢鍋焊唇漏點(diǎn)及周邊進(jìn)行修復(fù)，且PT檢測Ⅰ級合格，再次投料、短暫運(yùn)行后還是會在原漏點(diǎn)周邊產(chǎn)生新的漏點(diǎn)。泄漏—堵漏—停車—修復(fù)—投料—泄漏，周而復(fù)始，嚴(yán)重影響裝置的長周期穩(wěn)定運(yùn)行。POX裝置是整個公司的公用工程島核心，擔(dān)負(fù)著公司大部分蒸汽與氫氣的外供任務(wù)。雖然氣化系列設(shè)計(jì)為2開1備，但如果備用系列無法及時切入，而運(yùn)行系列又需停車，則將導(dǎo)致氣化單系列運(yùn)行工況出現(xiàn)。這將嚴(yán)重影響全廠煉油、化工裝置運(yùn)行，給公司造成較大的經(jīng)濟(jì)損失，因此迫切需要找到焊唇密封失效的根本原因并徹底根除。

圖2 廢鍋本體大法蘭泄漏

圖3 廢鍋本體大法蘭焊唇密封泄漏

1 泄漏原因分析

針對超高壓廢鍋本體大法蘭出現(xiàn)的多次泄漏事件，車間組織生產(chǎn)、設(shè)備模塊進(jìn)行根本性原因分析，逐一排查。通過對法蘭焊唇密封失效原因進(jìn)行分析，確認(rèn)密封失效與3個因素有關(guān)，分別為唇形焊環(huán)裝配偏差大、焊縫存在缺陷和大法蘭螺栓預(yù)緊力不足，其中螺栓預(yù)緊力不足為主要因素。

1.1 唇形焊環(huán)裝配偏差大

廢鍋本體大法蘭墊片裝配過程是先分別將上唇形焊環(huán)與廢鍋上筒體法蘭通過角焊縫焊接、下唇形焊環(huán)與廢鍋下筒體法蘭通過角焊縫焊接，然后再將廢鍋上下筒體法蘭對齊預(yù)緊，最終焊接2片唇形焊環(huán)唇口。

此過程難于保證墊片的安裝精度及防止焊接變形。由于墊片直徑為2 493 mm，尺寸較大，而厚度僅為15.5 mm，焊接應(yīng)力很容易引起墊片的變形，影響裝配質(zhì)量。因此在焊接角焊縫時，必須確保唇形焊環(huán)緊緊平貼在廢鍋筒體法蘭表面上，保證接觸面壓緊面積最大。同時，當(dāng)廢鍋上下筒體法蘭對齊后，2片唇形焊環(huán)也必須壓緊，不能有太大間隙。這3處接觸面雖然都不起密封作用，但有節(jié)流減壓的作用，在一定程度上緩解了高溫高壓介質(zhì)對角焊縫、唇口焊縫的直接沖擊，可延長焊縫的使用壽命。

POX裝置廢鍋整體運(yùn)至現(xiàn)場安裝，其法蘭焊唇密封的組裝由制造廠在國外完成，組裝全過程無從見證。其中1臺在開工后不久即出現(xiàn)泄漏，有理由懷疑原廠家墊片裝配偏差大，造成焊縫被直接沖擊，導(dǎo)致其快速失效而發(fā)生泄漏。

1.2 焊縫存在缺陷

該法蘭的唇形焊環(huán)焊接存在3道焊縫，分別為2道唇形焊環(huán)與廢鍋筒體法蘭焊接的角焊縫和1道2片唇式焊環(huán)的唇口焊縫。焊縫品質(zhì)的好壞直接影響焊接密封的質(zhì)量和使用壽命。

唇形焊環(huán)與廢鍋筒體法蘭焊接的角焊縫，在廢鍋筒體法蘭完成組對前焊接，施工條件較好，不容易出現(xiàn)問題。而2片唇式焊環(huán)的唇口焊縫，在廢鍋筒體法蘭部分螺栓預(yù)緊后焊接，焊接空間狹窄，不便操作，很容易出現(xiàn)問題。由于這3道焊縫只能采用PT檢測，無法發(fā)現(xiàn)內(nèi)部焊接缺陷，故任何一道焊縫出現(xiàn)問題，均可導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)泄漏。

1.3 大法蘭螺栓預(yù)緊力不足

大法蘭螺栓的作用主要是為了承受廢鍋工作時高內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向力，而螺栓的預(yù)緊力分為最小預(yù)緊力和最大預(yù)緊力。最小預(yù)緊力是為工作時確保作用在墊片上的壓力不小于保證密封時由內(nèi)壓和其他附加載荷作用于墊片的壓力；最大預(yù)緊力與2個因素有關(guān)：一是確保螺栓的強(qiáng)度足夠，以便承受廢鍋殼體內(nèi)壓和其他載荷而不至于損壞；二是緊固時不會造成墊片損壞。大法蘭螺栓預(yù)緊力不足或過大，均會引起密封失效，從而導(dǎo)致廢鍋大法蘭出現(xiàn)泄漏【1-2】。

車間不定期檢測廢鍋大法蘭螺栓的預(yù)緊力。數(shù)據(jù)顯示，螺栓的預(yù)緊力在開停工后呈下降趨勢，且32根螺栓下降幅度不同。特別是在多次開停工后，部分螺栓的預(yù)緊力下降嚴(yán)重，小于最小預(yù)緊力。因此，有理由認(rèn)為，廢鍋大法蘭泄漏的主要原因是由于從來未對螺栓進(jìn)行預(yù)緊，長期運(yùn)行后，螺栓發(fā)生松弛造成預(yù)緊力不足，使密封所需螺栓力小于最小預(yù)緊力，導(dǎo)致密封失效、發(fā)生泄漏。

2 解決措施

2.1 改進(jìn)組裝程序

唇形焊環(huán)尺寸較大，但很薄。在焊接時，墊片很容易因焊接產(chǎn)生的熱應(yīng)力而發(fā)生微量變形，影響裝配精度。為消除這一形變，在唇形焊環(huán)焊接之前，特別制作4個調(diào)節(jié)頂絲和32套墊片夾具，對墊片進(jìn)行調(diào)節(jié)和壓緊，使墊片在焊接過程中準(zhǔn)確、緊密貼合在廢鍋法蘭上。頂絲與夾具的布置如圖4所示，頂絲與夾具現(xiàn)場安裝如圖5和圖6所示。

圖4 頂絲與夾具布置示意

圖5 上筒體頂絲與夾具安裝

圖6 下筒體頂絲與夾具安裝

墊片裝配步驟如下：首先以筒體法蘭的內(nèi)壁作基準(zhǔn)，初步輕擰頂絲，使其接觸到墊片；第二步安裝夾具，但不上緊，以便調(diào)節(jié)頂絲時墊片不被卡死；第三步則通過調(diào)節(jié)頂絲，同時測量墊片內(nèi)壁與4處定位鍵的距離，使4處定位鍵與內(nèi)環(huán)的距離一致，偏差為±0.05 mm；最后，通過頂絲將墊片位置調(diào)整好后，上緊夾具，使墊片與廢鍋筒體法蘭面壓緊。

2.2 改進(jìn)焊接工藝

廢鍋的筒體法蘭密封面材質(zhì)為Inconel625，唇形焊環(huán)為金屬唇口墊片，材質(zhì)為SA204 GR.A，厚度15.5 mm。通過對2個材質(zhì)進(jìn)行對比，并參考過去的焊接工藝，墊片與法蘭密封面角焊縫采用ERNiCrMo-3焊絲進(jìn)行焊接，而2片唇式墊片唇口的焊接則采用DMO-IG焊絲進(jìn)行焊接。

2.2.1 焊接工藝參數(shù)

針對墊片與法蘭密封面的角焊縫和2片唇口墊片的焊接制定的工藝參數(shù)分別如表1和表2所示。

2.2.2 焊接注意事項(xiàng)

焊接前，必須先用細(xì)砂紙將唇形焊環(huán)表面及廢鍋筒體法蘭面打磨1遍，確保表面的清潔與平整度。

為了防止焊接變形，唇形焊環(huán)的角焊縫和唇口焊縫焊接，采用2個焊工同時進(jìn)行對稱焊的方式(如圖7所示)，2人保持同樣的焊接速度及步調(diào)，沿順時針方向同步焊接，焊接前先進(jìn)行定位焊。定位焊應(yīng)從整個內(nèi)圈開始焊起，單次定位焊長度約為40 mm，各段之間的間距約為120 mm。定位焊與終焊只能采用氬弧焊，氬氣純度99.99%。定位焊完成后進(jìn)行終焊。焊接完成后，進(jìn)行焊縫檢查及PT檢測，Ⅰ級合格。檢查出來的缺陷進(jìn)行返修。只有當(dāng)不再有缺陷被檢查出來時，才能卸除夾具。

表1 角焊縫焊接工藝參數(shù)

表2 唇口焊縫焊接工藝參數(shù)

需特別注意唇口處焊接，該焊縫對焊工要求較高，應(yīng)確保焊接過程中不會因施工空間狹小而出現(xiàn)焊接質(zhì)量缺陷，如圖8所示。焊接需在廢鍋上筒體法蘭回裝并對稱預(yù)緊8根螺栓后進(jìn)行。通過預(yù)緊螺栓，確保廢鍋內(nèi)部的唇形焊環(huán)間隙在0.15～0.20 mm之間，如圖9所示。

圖7 對唇形焊環(huán)角焊縫進(jìn)行對稱焊

圖8 對2片唇形焊環(huán)唇口進(jìn)行對稱焊

2.3 螺栓緊固

2.3.1 螺栓預(yù)緊力計(jì)算

螺栓預(yù)緊力的組成為：補(bǔ)償溫差所需的預(yù)緊力F1、克服內(nèi)壓所需的預(yù)緊力F2以及設(shè)備工作時保證密封墊正常工作所需的預(yù)緊力F3。

圖9 墊片焊接圖示及墊片間隙示意

補(bǔ)償溫差所需的預(yù)緊力可根據(jù)材料力學(xué)中拉伸力的計(jì)算公式得出：

(1)

式中：F1——補(bǔ)償溫差所需的預(yù)緊力，kN；

ΔL——螺栓的伸長量，mm；

E——螺栓材料的彈性模量，取200 GPa；

A1——拉伸螺栓的橫截面積，mm2；

L——螺栓的有效拉伸總長度，mm。如圖10 所示，雙頭螺柱L=0.75L1+L2(L1是螺母厚度，5.75″，即L1=5.75×25.4=146 mm；L2是夾持長度，近似等于2個螺母間夾持的法蘭厚度，L2=470+461+30=961 mm，故L=1070.5 mm)。

ΔL為螺栓受溫度影響的伸長量。設(shè)安裝溫度25 ℃，工作溫度329 ℃，則溫差為304 ℃。金屬材料的平均線脹系數(shù)a為：

a=1×10-5mm/(mm·℃)

(2)

因?yàn)樵O(shè)備在升溫過程中法蘭同樣也會發(fā)生熱膨脹，從圖10中可以看出，螺柱受熱膨脹影響的長度比法蘭面多出不到一個螺母的厚度。因此，受熱膨脹影響的有限長度為0.75L1。

圖10 螺柱長度示意

故溫差造成的螺栓伸長量為：

ΔL=a×0.75L1×304

=1×10-5×(0.75×146)×304

=0.333 mm

螺栓橫截面積A1=14 827 mm2

因此扣除法蘭受熱膨脹因素，螺栓補(bǔ)償溫差所需的預(yù)緊力為：

=922×103N=922 kN

克服內(nèi)壓所需的預(yù)緊力

(3)

式中：F2——克服內(nèi)壓所需的預(yù)緊力，kN;

D——密封墊片的內(nèi)徑,mm；

p——工作壓力，系試壓壓力和設(shè)計(jì)壓力中最大的值,MPa；

x——螺栓的數(shù)量。

設(shè)備運(yùn)行時保證密封墊正常工作所需的預(yù)緊力

(4)

式中：F3——設(shè)備運(yùn)行時保證密封墊正常工作所需的預(yù)緊力，kN;

m——墊片的系數(shù)，通常為密封墊制造商隨產(chǎn)品提供。由于該制造商未提供m值，計(jì)算時以金屬包覆墊取值,取m=3.75，最小預(yù)緊比壓60 MPa；

D中——密封墊片的中徑,mm；

W——密封墊片的寬度,mm。

=540 kN

因此，螺栓所需的總預(yù)緊力：

F=F1+F2+F3

=922+2 352+540

=3 814 kN

在實(shí)際拉伸時，由于螺栓的彈性變形特性，存在拉伸載荷損失，根據(jù)實(shí)際工況按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算其損失系數(shù)為：

LLF=1+D1/L2=1.13

式中：LLF——損失系數(shù)；

D1——螺紋直徑，mm；

L2——夾持長度。

故實(shí)際拉伸器滿足預(yù)緊力需要提供的拉伸載荷為：

F拉=3 814×1.13=4 309 kN

2.3.2 螺栓緊固參數(shù)及方法

廢鍋大法蘭共有32根螺栓，緊固方案選擇25%覆蓋拉伸，因此需采用8個拉伸器同時拉伸(25%覆蓋拉伸=每4個螺栓需要1個拉伸器) 。首先給螺栓按圖示編好序號(如圖11所示)，按照8根螺栓一組的方式，編成4組。第1組為1號、5號、9號、13號、17號、21號、25號、29號螺栓；第2組為2號、6號、10號、14號、18號、22號、26號、30號螺栓；第3組為3號、7號、11號、15號、19號、23號、27號、31號螺栓；第4組為4號、8號、12號、16號、20號、24號、28號、32號螺栓。

由于采用的是25%的拉伸器覆蓋率緊固方案，故在4步拉伸緊固過程中，先緊固的螺栓會在后續(xù)步驟緊固完成后出現(xiàn)松動的“翹板”效應(yīng)，造成預(yù)緊力部分損失【3】，如圖12所示。為了最終達(dá)到殘余預(yù)緊力均勻的目的，先緊固的螺栓載荷必須比后緊固的螺栓載荷稍大。

圖11 25%覆蓋率緊固及現(xiàn)場施工示意

圖12 螺栓載荷變化趨勢

圖12中，先緊固時的泵壓力A大于后緊固時的泵壓力B。最終在緊固完成后，所有螺栓因?yàn)椴煌潭鹊妮d荷損失，殘余預(yù)緊力都均勻趨于要求的預(yù)緊力值附近。同時，采用“泵壓力A”和“泵壓力B”緊固時，每組需打壓3次，并且每次打壓都需間隔相同的時間，以便確保密封墊和螺栓充分變形，達(dá)到更好的緊固效果。4次緊固時的載荷計(jì)算如表3所示。

表3 4次緊固時的載荷

所以根據(jù)上述理論及計(jì)算，各個螺栓實(shí)際的的殘余預(yù)緊力都在3 814 kN左右，而所用拉伸器的最大輸出載荷為5 540 kN，約有4%的裕量，足夠保證螺栓的正常拆卸。另一方面，在預(yù)緊力為3 814 kN時，螺栓的應(yīng)力約為254 MPa，未超過50%的螺栓屈服強(qiáng)度，緊固后螺栓在安全彈性形變范圍內(nèi)，不會發(fā)生塑形變形產(chǎn)生的螺紋卡死等情況。

3 結(jié)語

針對超高壓廢熱鍋爐多次出現(xiàn)本體大法蘭泄漏事件的問題，對法蘭焊唇密封失效原因進(jìn)行了徹底分析，確認(rèn)密封失效與3個因素有關(guān)，分別是唇形焊環(huán)裝配偏差大、焊縫存在缺陷和大法蘭螺栓預(yù)緊力不足，其中螺栓預(yù)緊力不足為主要因素。2015年年底，在廢鍋更換盤管時同步更換了焊唇密封，并通過改進(jìn)焊唇密封組裝程序和焊接工藝、定期組織預(yù)緊螺栓等技術(shù)措施，徹底解決了問題，也證明了之前的分析判斷。該問題的徹底解決，不僅確保了裝置的長周期、可靠運(yùn)行，為Shell瀝青氣化技術(shù)發(fā)展提供強(qiáng)有力支撐，更為中國石化探索清潔能源之路提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。