渣油加氢反应器法兰密封技术探讨

渣油加氢反应器法兰密封技术探讨

周光辉

中石化长岭分公司设备工程处

摘要：渣油加氢反应器属于高温高压临氢设备，其反应器封头和出入口管道法兰的密封性直接影响到装置平稳安全运行。通过理论分析和实际操作，总结出一种比较可靠先进的螺栓安装方法。

关键词：渣油加氢；反应器；高温高压；密封；均匀载荷；安装

某厂170万吨/年渣油加氢装置共有四台反应器，串联使用。由于渣油是石油经蒸馏加工后剩余的残渣，质量差、杂质和非理想组份含量高，加工难度大，需要在超高压、高温和催化剂存在的条件下进行反应。加上其内含易燃易爆的含氢介质，因此密封要求极高，不允许有任何泄漏，反应器的法兰紧固极其重要。

渣油加氢反应器属于高温高压设备，升压后螺栓载荷主要由两部分组成：一是流体静压力产生的轴向力使法兰分开需克服此种端面载荷；二是为保证密封性，要在垫片或接触面上维持足够的压紧力。因此螺栓大、拧紧困难。当反应器内压温度发生波动时，由于主螺栓很长，八角垫很小的变形都会使螺栓载荷发生明显的变化，直接影响着环垫的密封效果。因此极容易产生泄漏，尤其在装置开停工时可能性更大。

1法兰密封情况

170万吨/年渣油加氢装置四台反应器属于高温超高压设备，其工作压力为16.5MPa，设计温度440℃，工作温度为390℃，设备共有4个头盖法兰，4个入口法兰，4个出口法兰。密封垫片均使用八角钢垫。

八角垫密封属于线接触密封，具有径向半自紧的特点。环垫的平均直径比环槽平均直径稍大，靠环垫与环槽的内外斜面接触并压紧形成密封环垫与环槽的斜面角度一般为23°。高压换热器依靠螺栓拉力压紧八角垫来产生初始压力保持密封，因此法兰外圆直径厚度螺栓尺寸都很大。

法兰螺栓规格如下：

升压后介质作用使八角垫径向扩张，八角垫与环槽的斜面更加贴紧产生自紧作用。但介质压力升高同样使螺栓和法兰变形，造成密封面的相对分离，压紧力减小，因此它对温度、压力的波动非常敏感。

2可能产生的泄漏情况

通常，流体在法兰密封面的泄漏有两种途径，一是垫片渗漏，二是压紧面泄漏。由于法兰密封面不可能绝对平行和光滑，因此，为防止法兰密封在正常操作时失效，加在垫片上的预紧密封比压必须大于其工作比压，而预紧密封比压是由螺栓载荷提供的。当载荷达到某一数值时，垫片会发生微小的弹性变形而填满密封面凹陷不平处。但过大的螺栓载荷将使垫片产生塑性变形，垫片的回弹能力下降，密封比压小于工作比压，同样会造成法兰泄漏。所以，为保证法兰面紧密不漏，螺栓载荷必须科学合理，不能过小，也不能过大。

渣油加氢反应器法兰采用的是具有径向自紧特性的八角垫，其优点是随着反应器内部压力的升高其密封面上的密封比压随之增大。这种法兰密封结构的泄漏途径只能是压紧面泄漏，其影响因素主要是螺栓预紧力，其次是密封面的粗糙度、垫片材质、硬度及压缩回弹性能。

3很难提供精确均匀的螺栓载荷

平时我们紧固法兰螺栓的时候，都想方设法的让法兰平行闭合，试图让螺栓载荷精确均匀，但是情况都不是十分良好，螺栓载荷为什么不均匀呢？让我们来做下分析：

3.1螺栓的工作原理

螺栓本质上就是弹簧，它的工作原理遵循胡克定理。但是同时它有一定的工作范围，过度拉伸螺栓，危害极大。

3.2螺栓紧固的原理

◆螺母是用来存留拉伸力的。

◆如果螺母转动的角度使每条螺栓都得到所要求的拉伸量，则每个螺栓就会存留相同的拉伸力。

◆如果每条螺栓存留的拉伸力相同，则法兰可获得均匀的载荷。

◆如果载荷均匀，则法兰平行闭合，没有泄漏。

3.3传统螺栓紧固的方式

过去几十年，即使是使用质量很好、精度很高的工具，也无法杜绝泄漏的发生。传统的大锤敲击、人力扳杠等方法完全由人的感觉判断，根本没有精度可言。液压扳手的扭矩和拉伸器的拉伸力来说，螺母是否转动适当的位置都存在两个未知的因素：对扭矩而言，转动面及螺牙间的摩擦系数；对拉伸而言，超拉的预估值及人工旋紧螺母。再加上各种不同的应用因素、工况条件、所使用的螺栓及螺母的配合公差、垂直度和摩擦系数等影响螺栓紧固有关的因素，使螺栓紧固的精度变得不易控制。

在使用传统紧固方式进行紧固时，诸如呆扳手、敲击扳手等工具，由于力臂的存在，作用力会对螺栓形成侧向偏载，使螺栓螺母之间的摩擦力增大且无法预知，损失的扭矩也无法确定，加之螺纹啮合部分及螺栓螺母与被连接件之间的表面摩擦会增大扭矩的损失，从而无法做到精确的螺栓载荷。

4精确均匀的螺栓紧固方式

HYTORC扭矩拉伸机的拉伸载荷技术是通过在传统的罩帽螺母、圆螺母或六角螺母下增加Loadisc拉伸垫圈，将之转化成无偏载的机械式拉伸螺母，利用高精度的扭矩拉伸机通过扭矩拉伸的方式直接拉升达到预先设定的螺栓预紧力的一种先进的、优化的螺栓紧固方案。无需超拉、不需要反作用力臂、不需要防跟转扳手、不需要人工拨动螺母。

HYTORC扭矩拉伸机彻底摒弃了液压扳手和拉伸器的紧固缺点。无力臂无偏载，直接拉伸达到所要载荷。所以当您确认螺栓预应力的数值后，就可以用HYTORC的最新技术——扭矩拉伸机来确保达到该数值，从而可以帮您解决螺栓松动以及咬牙等众多问题。

HYTORC扭矩拉伸机Loadic拉伸垫圈是最经济完美的液压驱动微型拉伸器设计。纯拉伸设计，使螺栓上存留载荷精度达到工业标准±10%。

图1扭矩拉伸机及其结构

Loadic垫圈是一个由三部分组成的预紧系统：

（1）与螺母接触面

（2）紧配螺牙环

（3）锁紧扣

图3Loadisc垫圈及其安装过程

当使用HYTORC扭矩拉伸机机具紧固螺母时，机具按顺时钟方向直接转动外部转动套，这样就拉动内部螺牙环及与其相啮合的螺栓向上运动，与此同时所有的力量都支撑在下面的垫圈上。反作用力矩通过安装到机具壳体上的反作用轴传输到内部螺牙环及螺栓上。同时内部螺纹套通过垫圈将反作用力传递到靠摩擦力接触的安装面上。HYTORC工具与垫圈、螺母一起使用形成了一个独立的力的系统，所有的相对运动都在这里发生。这种结构在使用中带来了以下优点：

（1）精确度高，无须辅助测量产生摩擦力的两个表面在加工完成后就能测出摩擦系数，由于没有侧向力因此不会随应用不同而不同。因此，这种机械紧固元件不需要其它测量方法就能达到均匀的预紧力精度±10%。

（2）纯预紧力没有扭矩传到螺栓上。因此螺栓只被拉伸，没被扭转，不损伤螺栓螺牙，螺母螺牙受力均匀，应力集中不明显。

图4使用disc垫圈前后螺栓螺母受力分析谱图

（3）速度快以一种前所未有的速度紧固螺栓连接面。

（4）不会损伤连接表面，因此无须对其修整所有相对运动都发生在HYTORC系统内部。

（5）没有剪切力，螺栓不咬牙因为扭矩扳手直接作为系统的一部分承载反作用力，所以在紧固和拆松时不会产生剪切力。不再需要额外的反作用力臂。

（6）没有预紧力丢失由于所有部件整个操作过程中都处于连续受力状态，因此紧固完成后不会发生像使用液压拉伸器类似的载荷流失。

这种方式能给高温高压法兰带来的优点是：

（1）冷拉冷紧，无需加热，提高效率冷紧无需等待螺栓冷却，以往完成一次水压试验大致需要4天，使用了disc垫圈后可缩短至2天左右，提高时间利用率。同时不会存在反复加热对螺栓螺母的损伤。不会发生产品螺栓由于加热造成变色的现象。

（2）精确的螺栓伸长值因为Loadisc垫圈的精度极高，能满足伸长量精度要求，操作熟悉后无需测量伸长值，轻松满足工作要求的精确度，节省工时。

（3）保护螺牙，螺栓不咬牙螺牙和disc内圈螺牙环没有相对转动，不会出现螺栓取不出来以及螺栓咬牙的现象。

（4）螺栓受力均匀纯拉伸设计，使螺栓上存留载荷精度达到工业标准±10%，不会出现由于螺栓原因造成的泄漏。

（5）节省劳动强度操作者只需控制手柄，无需手扶，无需大锤敲击。

5安装

为了保证施工质量，确保装置一次开车成功，在法兰回装过程中，需要对影响法兰密封的因素进行逐一确认。

5．1法兰密封面检查

反应器头盖法兰吊装之前，应对法兰密封面进行检查，程序如下：①用清洗剂清洗密封槽内的油污。②用砂布仔细研磨两侧密封面直到露出金属光泽。③对密封面进行平整度检查。

5．2垫片检查

回装垫片是随设备出厂带来的。安装前，按图样对垫片的主要数据进行测量，各部位尺寸均在公差范围内。

5．3垫片与法兰槽配合精度检查

采用在垫片密封面上涂刷湿红丹的方法检查新垫片与密封槽的配合精度。检查后发现，更换的新垫片与法兰密封槽的外侧密封面配合均比较理想。

5．4螺栓紧固

用不锈钢刷子清理螺柱和螺母的丝扣并均匀喷涂二硫化钼润滑剂，以此减小螺栓与螺母间，螺母与垫圈表面的摩擦力。用清洗剂彻底清除密封槽内和垫片上粘附的红丹并擦拭干净，放入垫片时严禁带入其它杂物。

当人孔盖就位后，用游标卡尺8点测量法兰密封面的平行度，手动紧固螺栓直到平行度误差在0．2mm以内再使用扭矩拉伸机紧固螺栓。为了确保密封质量，先紧固封头盖上的螺栓，后紧固短节另一端入口法兰的螺栓。同时，为了减少螺栓之间弹性交互作用对螺栓紧固载荷的影响，这次封头法兰螺栓紧固，采用了2同步的紧固方式，即2台扭矩拉伸机同时对称交叉紧固。

每组法兰螺栓紧固5遍，拉伸载荷与最终载荷比例关系如下，第1遍为30％，第2遍为50％，第3遍～第5遍为100％，每紧固1遍测量1次法兰平行度，以保证垫片受力均匀。4台反应器人孔法兰施工结束后，法兰面平行度误差为0．5～1．5mm，远小于2mm的误差要求。

6结语

反应器施工结束后，开工过程中当温度升到390℃时，未对螺栓进行热态紧固。当压力达到19．0MPa时，在氢气状态下保压检查人孔法兰未发现任何泄漏，确保了装置一次投料开车成功。