摘要：法兰连接系统失效机理较为复杂，针对现场实际结合理论，全面分析了蒸汽管道法兰泄漏的原因，提出了使用弹性螺栓的解决方案，经过半年的使用，没有发现一处泄漏，证明了该方案切实可行。
关键词：蒸汽法兰;泄漏失效;分析;对策
某公司硫磺回收装置2008年8月7日开始开工，运行两个多月的时候发现中压蒸汽管线法兰泄漏三百余处，公司采取包套堵漏措施整改100多处，但运行了一段时间又有多处泄漏。而且，许多漏点都是经过反复的处理，经常是好几天后又漏了。中压蒸汽泄漏不仅增加了能耗，还影响了装置的平稳安全运行。法兰的泄漏成为急需解决的问题。
1 现场状况
对漏点进行统计结果如下：
(1)所有的漏点全部是环形密封面RJ面法兰，八角密封垫片。
(2)漏点的出现没有规律性，从开工以来，几乎每天都有新的漏点产生，少则一两处，多则七八处，产生的部位也不集中，分散在装置各个地点。
(3)装置里几乎所有的中压蒸汽法兰都出现过泄漏，法兰口径从最小的DN20到最大的DN600。
(4)一旦有漏点出现就很难紧住，时间稍长法兰面往往就会被冲坏，无法再紧。
(5)包套注胶法兰往往一段时间后还会从套里泄漏，仍须补胶，还有部分从螺栓处漏蒸汽。
特点：装置内中压蒸汽压力随着管网的压力波动而变化，管道里的蒸汽温度也会受到外界温度变化影响，几乎每次压力、温度波动都会造成中压蒸汽法兰的泄漏。
抽取两组法兰数据见表1。
2 法兰泄漏理论分析
高温下法兰连接系统的失效机理较为复杂，本文针对与现场系统泄漏有关的各元件的失效原因从理论上作简要分析。
从现场实际得知泄漏现象在设备开、停工及操作压力、温度波动的情况下尤为严重。与此相关的元件主要有：螺栓和垫片。下面从四个方面对其做详细分析。
2.1 密封垫片的变化
垫片是法兰连接系统中的关键元件，是借助于螺栓的预紧载荷由法兰面实施压紧，使其产生弹性塑性变形，填充一对法兰密封面之间的几何间隙，切断或阻止液体泄漏。在高温情况下，垫片由于受到高温影响而产生了脆化、高温蠕变等一系列变化，从而导致垫片密封能力下降，最后产生泄漏。与本案相关的垫片失效形式为垫片的高温回弹性失效。
高温下的压缩回弹性失效。为了保证预紧时垫片表面和法兰面能够形成初始密封，需要垫片有良好的压缩性。而当设备投入运行后，随着温度的不断升高，垫片产生蠕变，加上螺栓伸长，会导致法兰面和表面产生相对分离的倾向。为了保证垫片在高温工作环境下不会发生泄漏，垫片必须有足够的回弹量来补偿由于高温引起的蠕变。在高温高压下，由于温度和压力的波动，导致垫片的蠕变加剧，垫片材料的弹性模量、屈服极限将大幅度降低，垫片压缩量增大，塑性变形量增加，故回弹性能下降。如果此时不能保证施加在垫片上的载荷大于垫片密封所需要的力，必将发生泄漏事故。此时对螺栓提出了较高的要求。
2.2 螺栓受力分析
螺栓力的大小在安装状态、开车状态、操作状态下都有所不同，在各种状态下产生的力与变形的关系复合胡克定律，内压作用下法兰-螺栓受力与变形图见图1。
式中，C为刚性系数，螺栓喝法兰的刚度系数分别为Cb、Cf;
Q为螺栓总拉力;
Q1为螺栓预紧力;
P为操作载荷;
δf为法兰压缩量
δb为螺栓伸长量
由上式可知，为减小螺栓工作时的载荷Q，可设法减小Cb/(Cf+Cb),即增大法兰刚性系数Cf，减小螺栓刚性系数Cb，使Cf>Cb，即减小螺栓的刚度(或增加螺栓的柔度)。减小螺栓的刚度不仅对降低螺栓工作时的总载荷有利，而且对承受冲击载荷也是有利的。由于压力和温度波动造成的紧固件的脉动载荷，密封螺栓的载荷是在Q1和Q之间变化，即螺栓所承受的交变载荷为Pa值，为此，降低螺栓的刚度系数，无疑能减小螺栓所承受的交变载荷值，保证大于垫片密封所需的力，则保持管道正常工作。
2.3 螺栓的温度应力
管道在升温阶段，由于热阻的原因，法兰的温度比螺栓高，温差使两者的膨胀量不一致。由于它们互相约束，不能自由膨胀，必然产生附加的温差载荷。假设法兰、螺栓材料的线膨胀系数相同，则温差载荷为：
P1=αE △T Ab
式子中 P1为附加温差载荷，N;
α为材料的线膨胀系数，1/℃;
E为材料的弹性模量，Pa;
△T为温差，℃;
Ab为螺栓截面积，m²。
上式表明：法兰与螺栓间的温差载荷不仅正比于温差△T，而且正比于螺栓截面积Ab。螺栓直径少于10%，温度应力降低19%。显然，减小螺栓直径对降低温差载荷能起到很大作用。
2.4 螺栓预紧的影响
在安装过程中，螺栓需要由外加作用力才能紧固法兰连接系统，这个外加的作用力就叫预紧力。由于各个紧固螺栓的外加预紧力不容易均匀控制，所以就造成螺栓受到偏心载荷作用，从而在螺栓上产生附加的弯曲应力，产生弯曲附加应力的原因有：螺栓与法兰平面不垂直;螺母支承面与法兰不平行;垫圈厚度不均;紧固工艺不当等。开工升温过程中管道位移也会引起螺栓拉力变化，这些附加外力也是造成螺栓早期失效的主要因素。
3 整改方案
(1)综上所述，中压蒸汽管道法兰泄漏，是由于在高温及交变载荷工况下，金属密封垫片塑性增加，回弹能力降低，而螺栓又无法弥补垫片变形带来的影响，螺栓在高温下也存在蠕变及应力松弛，螺栓弹性下降无法承受安装、温度差等带来的附加载荷的影响，当垫片压紧力小于其密封所需压紧力时，密封失效。
(2)由于是现场整改，阀门、法兰不可以更换，由于是环形密封面，还必须使用金属八角垫片，只能从螺栓结构改进入手，从理论分析可知，在交变工况下希望螺栓具有弹性。本次改造提出采用弹性螺栓。
(3)从螺栓的受力分析第2.2节可知，当工作拉力和剩余预紧力大小一定时，减小螺栓刚度或提高被连接件刚度，都能达到减小螺栓拉力幅，因而达到减小螺栓应力幅的目的。螺栓应力水平一定时，影响零件疲劳强度的主要因素是应力幅，应力幅越小，疲劳强度越高。弹性螺栓的柔性增大，在弹性范围内降低了由于法兰与螺栓热膨胀不同而产生的温度载荷，以及其他因素带来的附加载荷。
(4)技术处理。首先对采用的弹性螺栓进行强度校核，并提出制造要求，要求弹性螺栓螺纹在热处理后一次滚压成型。滚制螺纹比切削螺纹疲劳性能好。热处理后滚压螺纹可获得再生压应力的全部好处，比热处理前滚螺纹其抗拉疲劳性能提高5~8倍。螺纹部分采用圆根细牙螺纹，每个螺栓表面进行磁粉检测。
螺母采用厚螺母。
法兰密封面修复，安装时螺栓预紧力尽可能保证相同。前西德《AD规范》B7中对弹性螺栓使用场合及主要结构作了如下简要阐述：为使螺栓连接尽可能具有弹性，建议按DIN2510设计成弹性螺栓。当设计温度超过300℃，或许可工作压力大于4MPa时，应当采用弹性螺栓。弹性芯杆长度不小于螺栓直径的两倍，只有螺栓芯杆直径控制ds≤0.9dk(dk为螺纹根径)或其尺寸符合DIN2510的螺栓才算弹性螺栓，有全长螺纹的螺栓在计算时作刚性螺栓考虑。
图2是DIN 2510中列出的部分弹性螺栓的端部结构。表2是其各部尺寸。
4 结论
综合以上分析可知：中压蒸汽管道螺栓除了承受静载荷外还需要承受疲劳载荷。原设计选用的是回弹性相对较差的八角钢垫，由于是改造项目，只有通过修改螺栓、增加螺栓的弹性，来改善螺栓的受力状况，提高抗疲劳的性能。我们采用了能够有效提高疲劳强度的弹性螺栓结构，从近半年的使用情况来看效果很好，没有发现泄漏。
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