导航：安全管理网>> 安全论文>> 机械安全论文>>正文

大型换热器法兰泄漏问题探讨

文档作者：韩冰赫荣鑫文档来源： 1．中国石油辽阳石化公司动力厂 2．中国石油辽阳石化公司炼油厂		点击数：	更新时间： 2022年03月19日
下载地址：点击这里	文件大小： 511.40 KB 共3页	文档格式： PDF	下载点数： 1 点（VIP免费）

全屏查看

内容预览 [文件共3页]

本文件共3页，如需编辑使用，请下载。

注：预览效果可能会出现部分文字乱码（如口口口）、内容显示不全等问题，下载是正常的。

	文件大小：511.40 KB 共3页文件格式：PDF 下载点数：1 点（VIP会员免费）

下一篇：大型换热器的防腐与应用

上一篇：管壳式换热器安全阀的设计分析

文本预览

仅提取页面文字内容，供快速阅读使用。

一
60一 一安全密封 2石0油和化工设备
10年第13卷
大型换热器法兰泄漏问题探讨
韩冰 ，赫荣鑫
(1．中国石油辽阳石化公司动力厂， 辽宁辽阳1 1 1003)
(2．中国石油辽阳石化公司炼油厂， 辽宁辽阳11 1 003)
[摘要]对大型换热器法兰泄漏原因进行了分析，对密封结构设计提出了解决方案。
[关键词]换热器法兰；密封：泄漏
管壳式换热器作为一种传统的换热设备，广
泛应用于工业各个领域，特别是在化工、石油、
能源等部门处于主导地位。当今科学技术的进步
和过程工业向大型化发展都对换热器提出了新的
要求，特别是换热器向高温、高压、大容量、高
效益等方向发展，管壳式换热器无论是设计理论
还是应用实践都面临着⋯ 系列的挑战。大型换热
器(直径一压力组合较大)的使用越来越多，在
大多数情况下， 即使法兰直径已超出现有标准，
但仍倾向采用法兰式结构，随之而来的是设备密
封结构的泄漏问题。健康安全环保(HSE)标准
日益提高，如何解决泄漏成为越来越重要的课
题。本文对此进行分析并提出一些解决方案。
1密封性能分析
传统法兰连接结构的密封属于强制密封，
法兰间的密封依靠主螺栓的预紧作用均匀地压紧
垫片，使法兰密封面上的凸凹不平面借助垫片变
形而填满， 阻止界面泄漏。当设备承受介质压力
后， 螺栓受到拉应力而伸长，法兰密封面沿着彼
此分离的方向移动，密封面与垫片之间的压紧力
下降，垫片的压缩量减少，预紧密封比压下降。
如果这时密封垫片具有足够的回弹能力使之大于
密封面两侧压差形成的泄漏推动力，则法兰依然
保持良好的密封状态。反之密封失效。在石油化
工装置中，这种密封结构的泄漏问题时常出现。
当换热器直径较大时，这种结构泄漏的可能性会
增大。造成泄漏的原因是复杂的，操作条件(如
操作温度、压力波动、介质的化学物理性能)、
螺栓预紧力、垫片密封性能、法兰密封面特征、
法兰刚度和螺栓刚度、结构设计和计算方法、制
造质量、安装情况等诸多环节都可能导致泄漏发
生。虽然导致密封失效的原因很多，但毫无疑问
传统的法兰密封形式和设计方法对大直径(直
径一压力组合超出现有法兰标准)的换热器来说
具有某些先天缺陷。本文仅就设计方法和法兰密
封结构形式两方面进行分析。
1．1设计方法
目前法兰密封设计一般采用GB1 50规定的设
计方法，这种方法是以应力极限为设计标准。基
于应力极限的设计方法，不能提供密封性能的保
证，仅能避免法兰总体的塑性变形，但对密封结
构的泄漏情况没有定量的分析，因而不能了解所
设计结构可能泄漏的程度。
1．2结构形式
传统的法兰密封结构形式通常存在下列问
题：
(1)设备存在较大的温差，使法兰和螺栓产
生较大的变形差异，造成某些部位垫片应力低于
密封条件所需的最低值，导致泄漏发生；
(2)当工作压力较大时， 直径大的法兰结
构需要更大的螺栓载荷， 因而螺栓规格或数量需
要更大或更多，使法兰径向力臂加大，加之自身
截面大， 因而整体刚性差，使得密封的可靠性下
降， 密封结构的泄漏率与工作压力呈线型增长关
系； 由于螺栓载荷较大， 为避免被过度压紧而使
垫片失效，垫片需要较大的宽度。垫片越宽，垫
片应力的径向均匀度越差， 泄漏的可能性就越
大；
(3)直径越大，预紧力的均匀性也越差，某
些部位因过度预紧导致垫片塑性变形而失效的可
能性增加； 密封面的加工愈发困难，平面度就愈
难保证；垫片材料和尺寸的均匀性也愈难保证。
2解决方案
基于上述分析，建议换热器直径超出现有法
作者简介：韩冰(1 98O一)，男，黑龙江佳木斯人，本科学
历，助理工程师，在辽阳石化分公司动力厂从事设备管理工作。
第10期 韩冰等大型换热器法兰泄漏问题探讨 一61一
兰标准时，密封结构的设计应进行特殊考虑。以
下提出针对不同情况的解决方案。
2．1传统的密封结构设计方法
对于一般的泄漏率要求且直径一压力组合超
出法兰标准范围不多的情况，传统的设计方法仍
不失为一种便捷的选择。在标准范围内，现有规
范设计具有长期且成功的使用经验， 能满足一般
的要求，如果超出法兰标准范围不多，在传统设
计方法的基础上适当增加螺栓截面积及法兰力矩
的裕量(建议20％一30％)，并对法兰结构尺寸进
行最大限度的优化，即可较好地弥补密封设计方
面的不足。
2．2基于强度和刚度要求的密封结构设计方法『1
传统的设计方法是以强度破坏为失效准则，
这种方法假设法兰为完全刚性，它应用于现有的
标准法兰是可靠的。当直径超出标准范围时，法
兰可能由于刚度不足而不能控制其密封的泄漏。
对于这种情况，ASME．Ⅷ ．1 2007版的法兰设计
标准中正式将法兰的刚性设计准则引入其中作为
强制性规定，规定法兰除了满足常规的强度要求
外，还应满足刚度要求， 即要求刚度指数J<1．0。
对于整体式法兰：
J=52．14VM0／(LE Klh0)<1．0 (1)
式中：V、L一法兰系数；M。一法兰的总弯
矩，N·mm；E一法兰材料的弹性模量，MPa；
K 一刚度系数，K。=0．3；g。、h。一法兰的结构参
数，mm。
根据强度计算初步确定法兰的结构尺寸后，
按式(1)校核法兰的刚度，当计算J>1．0时，应增
加法兰环的厚度直至J<1．0。
2-3基于强度和紧密度要求的密封结构设计方法口
基于强度和刚度要求的密封结构设计方法比
传统的设计方法有了很大进步，在许多工况下证
明是可行的，但这种方法对于密封的考虑仍缺乏
系统性，操作所需的垫片应力也仅按经验确定，
不能定量计算泄漏的程度，即不能保证泄漏率在
规定的范围内。美国压力容器研究委员会提出了
法兰密封结构基于强度和紧密度失效准则的设计
方法，较好地解决了这一问题。这种方法将密封
失效准则作为法兰密封结构设计的基本准则之
一
， 明确提出以紧密度作为表征密封结构泄漏程
度的衡量指标， 因此可将法兰设计要求按紧密度
级别区分，不同紧密度级别对应不同的最低泄漏
率要求。该方法的具体做法是：
(1)根据工况和相关要求确定对垫片量化的
紧密度(泄漏率)要求；
(2)根据紧密度要求对垫片进行泄漏试验以
确定垫片系数，并得到指定紧密度参数下最佳垫
片装配应力与垫片应力变化量的关系；
(3)计算确定达到指定紧密度所需要的最佳
螺栓载荷；
(4)计算出螺栓载荷后，法兰的强度计算仍
按常规方法进行。
这种设计方法将垫片应力与泄漏率关联，
同时满足了强度和密封性要求，弥补了传统设计
方法缺乏密封性准则的缺陷， 并对紧密度级别划
分。这种设计方法比传统设计方法提供了更大的
灵活性， 特别对含毒性介质的工况具有重要意
义，能更好地满足HSE的要求。
2．4密封结构的有限元应力分析设计方法
有限元应力分析设计方法将法兰、垫片及螺
栓作为一个整体来研究， 系统地考虑垫片受力的
均匀性、外载荷、连接系统的刚度、温差造成的
变形差异以及温度压力波动等因素， 可计算法兰
的变形、垫片材料的非线性特征以及螺栓的弯曲
对垫片应力分布的影响， 预测密封结构真实复杂
的变形一密封行为，并与泄漏建立定量关系，更
加有效准确地评价法兰连接系统的强度和密封性
能。
3改进措施
3．1螺栓连接间采用碟簧垫圈
法兰直径较大时，垫片反力的均匀度较差。
当压力和温度较高， 特别是操作条件频繁波动
时，要求垫片具有足够和稳定的回弹很困难， 因
为初始密封时具有较大预应力的垫片，一方面受
温度和压力的共同作用将产生显著的蠕变和应力
松弛；另一方面垫片材料发生氧化或热分解，其
屈服极限降低，导致塑性变形量增大。这两个因
素都将导致垫片回弹性能下降， 高温高压和操作
条件频繁波动同时也易造成螺栓的应力松弛， 当
垫片回弹不足以补偿温度、压力引起的密封面分
离和高温下密封结构的蠕变松弛时，就会发生介
质的泄漏。这种情况下在螺栓连接间加入碟簧垫
圈可及时补偿密封垫片回弹的不足。碟簧垫圈采
用高弹性合金材料制成， 具有低行程和高补偿的
特点，能通过很小的变形提供足够的预紧载荷、
吸收温度压力波动造成的应力松弛，较好地补偿
法兰和密封材料的变形。

网友评论 more

机械安全论文最新内容

03-05