石油化工装置法兰泄露的原因及措施

石油化工装置由法兰接口引发的泄漏事故也在不断的增多，给装置运行造成很大的危害，本文通过分析引起法兰泄露的原因，引入法兰管理的概念，提出具体的过程管控措施以及合理的螺栓 紧固载荷计算方法，提高法兰安装质量，降低法兰泄露的发生率。

石油化工装置中，工艺管道就像人身体中的血管一样，错综复杂，而且介质大多是有毒有害的，保证管道施工质量就成了工程质量控制的重 点。提到管道施工质量可能最先想到的就是管道 焊接质量，然而，在石油化工装置中压力管道的连接方式除了焊接连接，还大量采用了法兰连接方式，法兰螺栓数量庞大且工况复杂，近些年由法兰接口引发的泄漏事故也在不断的增多，所有的泄漏事故中约有 18%的泄漏事故都是由于法兰接口泄漏引起的，因此，控制法兰安装质量，加强法兰管理就尤为重要。




1 引起法兰泄漏的主要原因     
引起法兰泄漏的原因有很多，而在施工阶段 引起法兰泄漏的主要原因有以下几个方面：1）法兰、垫片等密封面的破坏；2） 垫片或者螺栓等材料用错，不能满足管道运行的操作条件；3） 法兰偏斜引起泄漏；4） 紧固不规范造成垫片损坏；5） 由于紧固载荷不够，不能使垫片达到密封性能；6）由于紧固载荷过大，造成垫片溃烂。
2 防止法兰泄漏的控制措施     
综上所述，由产生法兰泄漏的原因可知，要确保法兰不泄漏，就要通过严格的法兰过程管控程序保证法兰、垫片的安装质量以及选择合适的紧固载荷使垫片能够达到良好的密封性能。下面将从法兰过程管理及紧固载荷计算两大方面介绍控制措施。
2.1 法兰过程管理
2.1.1 人员培训及管理     
所有参与法兰管理的人员必须经过培训后持证上岗作业，严禁无证操作，培训分为理论培训和实操培训。理论培训由专业工程师负责向操作人员授课，讲授法兰管理的理论知识。实操培训主要是要在现场对专职操作人员进行系统的实际操作 培训，包括整体的质量控制流程，设备使用技巧。
2.1.2 材料管理     
材料管理包括法兰、紧固件及垫片的管理， 所有材料要做好到货验收工作，确保材料本质合格。材料的验收要求如下： 1）所有材料要有质量证明文件，文件内容符 合设计及规范要求。 2）法兰到货后，应逐件检查法兰密封面，密封 面应完整，不得有锈蚀和径向划痕等缺陷。 3）法兰的外缘应有规定的标识，且与质量证 明文件相符。 4）检查合格后的法兰，应放在室内进行保管， 并做好防锈蚀处理。 5）检修工程中，法兰打开后，应组件检查法兰 密封面状况，清理影响密封的杂质； 6） 紧固件到货后确保紧固件的螺纹应完整， 无划痕、无毛刺、无锈蚀等缺陷；如果螺纹不完 整，严禁使用。 7）紧固件检查合格后，螺纹表面需要涂抹螺 纹保护剂，且螺纹部位涂抹均匀。 8）缠绕式垫片到货验收，不得有松散、翘曲现 象，其表面不得有影响密封性能的缺陷。 9） 检维修工程中法兰拆卸后需要利用的螺栓，应采取先集中清洗、后检查再利用的原则。清 洗时要检查螺纹有无损伤，螺母能否顺利旋合到 螺柱的任意位置，不合格螺栓禁止采用。
2.1.3 设备选用     
根据螺栓规格不同，使用不同的拧紧设备，主要采用手动力矩扳手、电动力矩扳手和液压扳手。力矩≤1000N·m 的螺栓可采用手动力矩扳手进行 紧固，力矩大于 1000N·m 的螺栓推荐使用电动力 矩扳手或者液压扳手进行紧固，可配套冲击扳手 进行初紧，以提高初紧效率。
2.1.4 法兰安装
1）法兰安装前，要对法兰密封面及垫片进行检查确认，确保没有影响密封性能的缺陷，且要清 除法兰密封面的保护油脂。2）连接法兰的螺栓应能自由穿入。 3）法兰螺栓安装方向、外露长度应一致。 4）用手拧紧螺母，确保螺母能在螺柱上转动 顺畅。5）法兰安装不能偏斜，法兰密封面的平行度 要满足规范要求。
2.1.5 螺栓紧固     
法兰连接螺栓应对称顺序拧紧，紧固力矩值 需要分级进行增加，直到获得最终要求的扭矩，具体的步骤如下：
步骤 1：用手带紧螺母，用手动扳手初步紧 固，同时要控制好法兰平行度。
步骤 2：按 30%最终力矩值上紧螺栓，采用对 称法紧固，核实法兰间距以确保一致性。
步骤 3：按 60%最终力矩值上紧螺栓，采用对 称法紧固，核实法兰间距以确保一致性。
步骤 4：以目标力矩值上紧螺栓，采用对称法 紧固，核实法兰间距以确保一致性。
步骤 5：继续以目标力矩值紧固螺栓，采用顺 序紧固，最终核实法兰间距以确保一致性。按照上述步骤对法兰螺栓紧固完成后，用记 号笔沿着螺柱/螺母的端面画上十字交叉线，如有 条件可在法兰上系挂标识牌，标识牌上标注好管线 号、法兰编号、目标力矩值、操作人及操作时间等。
2.2 螺栓紧固载荷计算     
选择合适的紧固载荷也是法兰管理的重点， 目前国内规范及文献资料中没有一个统一的、标 准的计算方法，给出的大多是一个固定的紧固力 矩值，然而紧固力矩并不应该是一个固定值而是一个区间值，一是要保证法兰连接口达到密封性 能，二是要保证垫片不被破坏及螺栓不被拉断或 失效；另外，螺栓紧固力矩也不是很精确的数值， 从力矩计算公式：T=KFd 来看，式中：T 为力矩，K 为扭矩系数 （一般取 0.1~0.2），F 为预紧力，d 为 螺栓公称直径，扭矩系数 K 是个变化值，这和螺 纹结合面的光滑度、螺母与法兰端面的光滑度以 及是否采用润滑都相关，扭矩系数的变化对力矩 值的影响很大，因此，为了减少误差应保证预紧力 的计算准确。
2.2.1 按垫片性能计算预紧力
1）操作状态下按照垫片最小压紧力，计算单 个螺栓紧固需要的最小载荷 Fo , 公式为：Fo=(F+ Fp)/n，式中：F 为操作状态下内压引起的总轴向 力，Fp 为操作状态下最小垫片压紧力，n 为螺栓 数量，F 及 Fp 的计算方法参照 GB150.3。
2）预紧状态下按照垫片最小压紧力，计算单 个螺栓紧固需要的最小螺栓载荷 Fg1，公式为：Fg1=Fa/n，式中：Fa 为预紧状态下最小垫片压紧 力，计算方法参照 GB150.3。
3）按照垫片的最大允许应力，计算单个螺栓紧固需要最大螺栓载荷 Fg2，公式为：Fg2=(Sg×Ag)/n， 式中：Sg 为垫片最大允许应力，Ag 为垫片密封面积。
2.2.2 按螺栓允许应力计算预紧力     
按照螺栓允许应力，分别计算单个螺栓紧固 需要的最小螺栓载荷 Fb1 和最大螺栓载荷 Fb2；公式为：Fb1 =0.25 ×Rel ×Ab，Fb2 =0.7 ×Rel ×Ab；式 中：Rel 为螺栓屈服强度，Ab 为螺栓应力截面积。
2.2.3 综合比较     
分别确定单个螺栓紧固需要的最小载荷 Fmin 和最大载荷 Fmax：Fmin=max(Fo,Fg1,Fb1) Fmax=min(Fb2,Fg2)
2.2.4 计算螺栓紧固力矩区间值 Tmin，Tmax Tmin=k×Fmin×d Tmax=k×Fmax×d
2.3 质量过程控制要点
2.3.1 安装前检查     
重点检查管内洁，法兰面、垫片是否有损伤，并对螺栓与垫片材质、规格进行检查是否与设计图纸一致。对于锈蚀的法兰密封面，可采用手动钢丝刷或其他手动工具除锈，且用清洗剂去除污渍， 检查其密封面的状况，严重损伤的法兰密封面不予使用。对于检维修装置，法兰拆卸后检查法兰密 封面情况，如有损坏要进行更换。
2.3.2 法兰螺栓紧固后质量检查     
法兰螺栓紧固完成后，项目质检人员按照报 检记录对螺栓力矩、法兰平行度进行抽查，合格后 签字确认。
2.3.3 试压校验     
管道试压是检验法兰密封性能的一个重要手段，在试压过程中要着重检查每对法兰的密封性能，确保法兰无泄漏；试压过程的法兰密封性能检 验要做到以下几点：
1）若发现法兰有泄漏，严禁带压紧固，检查好 泄漏点，做好标记，泄压后进行处理；
2）泄压后，复核法兰平行度和螺栓的紧固力 矩，如若平行度不符，松开张口端对面的螺栓，重 新进行调整法兰平行度，并按照螺栓紧固步骤重 新进行紧固；如若只是螺栓力矩不满足要求，可以 直接按照目标力矩进行紧固；
3）法兰调整后，再重新进行试压检验，再次试 验以不泄漏为合格，并重新对法兰螺栓进行标记；若还有泄漏，必须泄压后打开法兰，检查法兰密封 面及垫片，更换新的垫片，法兰密封面若是损坏， 进行更换或者在线修复，缺陷消除后，再次试压检 验，直到校验合格后，对法兰螺栓进行标记。
3 结束语     
根据上述理论和数据分析可看出管道法兰管理是一个系统性工程，将涉及法兰密封效果的相 关因素综合考虑，包括法兰组对、密封面状况、密封垫片质量、螺栓正确使用与扭矩值控制、工艺操 作条件变化等。只有通过严格过程管控，加强材料 管理并且严格控制紧固载荷，才能有效的避免法 兰可能出现的泄漏风险。

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