【摘要】分析了预紧碟簧的结构特性和工作原理, 介绍了碟簧材质和结构形式的选择, 以及碟簧在炼油装置高温部位应用取得的良好效果。

　　【关键词】碟簧;预紧;密封

　　石油化工装置的设备和管道法兰密封问题,不仅涉及到节能和环境污染问题 , 更重要的是关系到装置的长周期安全运转。随着炼油化工工艺技术的进步,要求生产运转周期越来越长, 工艺操作条件越来越苛刻,使得设备和管道的法兰泄漏问题更加突出, 近年来应用预紧碟簧技术在治理法兰密封泄漏方面取得了很好的效果。

　　1 法兰密封泄漏原因分析

　　影响法兰泄漏的因素很多, 如法兰的加工质量、法兰的倾斜、法兰的错位、 法兰密封面的缺陷、螺栓预紧力的松弛、垫片的正确选型及安装、介质对垫片的腐蚀状况、压力的波动以及温度的变化等,都会对密封效果产生很大的影响。

　　根据统计,造成法兰密封泄漏的原因, 50% ～ 80%是由于螺栓预紧力下降导致密封的失效。一般地,螺栓原始施加的预紧力使螺栓有一定的伸长, 并使垫片产生一定的压缩量 (形成一定的比压 ),但由于介质温度变化、介质压力变化或机械振动等原因, 将使螺栓松弛 , 预紧力发生变化,密封比压下降而引起密封泄漏。以温度变化为例, 在初期介质温度升高首先引起法兰的膨胀,使垫片压缩量增加 ;随着温度分布均匀, 螺栓温度升高后螺栓膨胀,会导致预紧力的下降。例如 ,如果垫片压缩量为0.15 mm, M16×100 mm 的螺栓在温度升高 135 ℃时会膨胀伸长 0.16 mm, 从而导致预紧力全部消失,密封完全失效 。

　　2 预紧碟簧的原理和性能

　　针对螺栓预紧力松弛这一问题,可在法兰螺栓两侧安装一种弹性机械元件 ———预紧碟簧。见图 1。预紧碟簧采用特殊材质,通过精确计算后确定的结构形状 , 可以在很小的变形下提供足够的预紧力载荷,从而有效地减少密封失效的风险。

　　2.1 碟簧的工作原理

　　碟 簧的 结 构如 图 2所示,图中 Do为最大外径;Di为最小内径 ;h 为碟片行程;H o为总高度;t为碟片厚度;β为锥形角;R 为碟簧底环半径;p为受力面压力。

　　碟簧的压缩变形量 f和预紧力 p的关系为 :

　　碟簧在设计时要充分考虑各种力,确保设计的碟簧预紧力和变形关系曲线处于有效区域。

　　碟簧由于其优秀的压缩回弹性能 ,可以提供动态的预紧力,补偿法兰螺栓由于热胀冷缩、振动等引起的螺栓预紧力松弛 。如同上例 , M16 ×100 mm 螺栓增加 20813材质碟簧后,初始预紧力矩为 162.7Nm, 碟簧压紧行程为 0.28 mm, 温度升高 135 ℃后引起的螺栓伸长由两侧碟簧变形补偿,剩余碟簧变形量为 0.2 mm ,相应地螺栓预紧力矩为 118 Nm,只减少了28%,依然能够保证密封的效果。

　　2.2 碟簧材质的选择

　　针对不同的使用要求,有多种材料的碟簧可供选择,一般可以根据螺栓材质选择碟簧的材质。

　　2.3 碟簧结构形式的选择

　　由于碟簧具有超强补偿能力,适用于以下场合:法兰失效会引发安全事故的场合;温度有大幅波动的场合;法兰螺栓长径比小于3的法兰;有振动或交变力作用的场合;压力有大幅波动的场合;其它存在泄漏问题的场所。

　　一般每个螺栓每侧安装一片碟簧就可以满足绝大多数情况下的补偿要求,对于特殊情况,还可以使用多种组合方式。不同安装方式具有不同的效果,其压力和变形的相 互关系如图 4所示,a为最常用的一片碟簧 ,b 为两片叠加使用 ,同样的变形需要 2 倍的压力,c为 3个垫片组合,同样的压力将产生 3倍的变形 ,d为3组叠加垫片组合,2倍的压力将产生 3倍的变形。

　　3 碟簧在炼油装置的应用

　　(1) 华北石化公司加氢装置中压蒸汽管线系统存在多处泄漏点。其中,进装置边界阀门在 2002年4月开工试运行期间,由于需要频繁投用和停用中压蒸汽,当中压蒸汽投用时,法兰最高温度为 350 ℃,当停用中压蒸汽后,法兰温度为 50 ℃左右,由于温度变化造成法兰密封面大量泄漏,热紧也无法消除泄漏 。

　　该处法兰规格为 PN100 DN200,密封为钢质八角垫,螺栓型号 M36 (35C rMoA), 经在螺栓两端添加高温碟簧后,经过多次停用、投用中压蒸汽,再没有发生泄漏 。

　　2004年检修过程中,针对中压蒸汽系统的泄漏,对温度变化较频繁引起泄漏的 15处法兰,增加安装了各种规格的碟簧,不仅消除了这些部位的泄漏 ,而且取消了对这些部位的热紧,至今没有发生泄漏 。

　　(2) 扬子石化公司乙烯装置乙 烯换 热器 EEA444 (工作压力为7.1 MPa, 螺栓型号为 M36(25CrMoVA)), 由于换热器上下不同部件的温度变化,形成换热器上下不同部件产生不同的热胀冷缩 ,随着工作条件的改变,造成换热器频繁出现泄漏 。该设备于 1999年检修时采用高温碟簧和波齿垫片组合,补偿了温度变化引起的热胀冷缩。历经两年安全运行,于 2001年大修检修后,原高温碟簧依然完好,重复使用运行至今未发生泄漏 。

　　(3) 扬子石化公司加氢裂化装置裂解反应器 DC-101B出口法兰,该设备介质成分复杂 ,工作温度 427℃, 压力 16.7 MPa, 瞬间温度落差达130 ℃左右。该法兰螺栓规格为 M48 (BB402), 采用高温碟簧后,使用至今效果良好。

　　4 结束语

　　在使用碟簧的过程中, 还需要注意以下问题:

　　(1) 严格按照要求的预紧力选用碟簧。选用预紧力过小的碟簧,在螺栓松弛后将无法提供密封所需的最低预紧力。选用预紧力过大的碟簧,有可能超过垫片的弹性极限产生永久变形,效果比不用碟簧还差。

　　(2) 要按照给定的使用温度选择不同材质的碟簧。

　　(3) 安装过程一般要按照 30%→60%→90%→100%的力矩分 4次按顺序上紧 , 最好使用螺栓防卡剂 。

　　(4) 配合选用密封性能好的垫片 , 会起到更好的密封效果。

　　总之,解决法兰密封泄漏是一个比较复杂的问题。通过在炼化装置应用的实践表明,预紧碟簧安装简单,具有使用螺栓预紧技术、高扭力、低行程、厚度大、高温补偿维持的特点 ,可以有效地改善密封性能,同时配合选择好合适的垫片,就能使法兰密封泄漏问题得到有效治理,降低维护成本。

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