發表時間： 2024-04-16 09:02:07
作者： 石油化工設備維護與檢修網
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某煉油廠第一套S-Zorb裝置自2009 年 11 月首次開工以來，反應器大法蘭一直存在泄漏問題，嚴重時多次發生著火，成為影響裝置安全生產和正常操作的一個重要瓶頸。
圖1 S-Zorb反應器大法蘭
反應器介質為氫氣、汽油和吸附劑，操作壓力約2.6MPa，操作溫度約 416℃，采用流化床工藝，底進頂出，在頂部設置過濾器。反應器內的氣相介質通過過濾器時，氣相夾帶的吸附劑顆粒會逐漸聚集在濾芯表面，過濾器的壓力降也逐漸增加；當壓力降達到預先設定值時，SIS 系統啟動自動反吹程序，脈沖分區反吹溫度約為243℃，去除濾芯表面濾餅。反應器與過濾器連接結構如圖 1 所示。
圖2 反應器與過濾器連接結構
表1 反應器大法蘭泄漏與防治情況
與S-Zorb反應器大法蘭循環工況類似的烯烴廠OCU烯烴轉化反應器，也長期運行在高低溫交變工況下，容易泄漏。
圖 3 高危易漏烯烴廠OCU反應器法蘭密封
表2 烯烴廠OCU反應器法蘭高低溫交變工況
01 泄漏原因分析
1.1 反吹循環周期隨開工周期變化
周期性的、順時針方向對 6 個分區進行反吹，壓力頻繁波動，法蘭連接接頭的螺栓和墊片會發生疲勞；溫度頻繁波動，法蘭連接接頭中的螺栓、螺母、法蘭、密封墊片和連接筒體各部件產生變形不協調并不斷惡化; 6 個閥門分區順次脈沖開關，導致大法蘭圓周方向上的應力水平不一致。上述因素疊加后綜合作用于反應器大法蘭上，最終會導致工作密封應力的局部或整體缺失，密封泄漏失效。
1.2 墊片選型不適合高低溫交變
設計時該反應器法蘭密封面選用了齒形墊，該墊片的制造標準HG20632—2009 對于壓縮和回彈率沒有具體要求，墊片質量評價報告中也沒有墊片回彈性能方面的檢驗項目。齒形墊片表面覆蓋的石墨可以增強密封面之間的嚙合性，但不改變其壓縮回彈特性。在螺栓載荷發生周期性顯著變化時，其工作密封應力會急劇衰減，容易導致密封失效。所以，齒形墊片并不適合高低溫交變工況條件下的密封需求。
1.3 螺栓布置數量偏少
該S-Zorb 裝置建造投用期間，國內共有 7 套 S-Zorb 裝置同時開工建設，這7套裝置均采用同一個廠家的過濾器，緊固件都是過濾器廠家設計并供貨。開工后這7套裝置均發生了不同程度的泄漏。經調研，這7套裝置的螺栓布置情況如表2所示。
表3 國內類似裝置螺栓布置
通過表2數據對比可以看出，A企業的S-Zorb 裝置法蘭螺栓中心圓直徑最大，但螺栓的螺紋規格最小，螺栓的數量最少，會造成整個法蘭圓周方向上螺栓預緊力的均勻性較差。即使以后考慮更換其他回彈性能較好的墊片，局部依然有可能會過度預緊或疲勞載荷下過載造成墊片回彈性消失，從而發生泄漏。因此，設計上應盡可能增加螺栓數量，使螺栓的預緊力、墊片的受力更為均勻。
1.4 法蘭型式有改進空間
鑒于S-Zorb裝置反應器大法蘭長期服役在壓力和溫度交變工況下，可以將法蘭密封型式改為凹凸面( FM/M) 型式，降低壓力波動對密封應力的影響。
對于類似S-Zorb反應器大法蘭、烯烴OCU反應器進出料法蘭和連續重整反應器進出料法蘭，需要長期工作在高低溫交變和高溫油氣工況下，考慮到所有的泄漏都發生在裝置運行一定時間之后，操作壓力或溫度的波動和高溫蠕變應力松弛是法蘭密封泄漏的主要原因。由于工藝流程無法改變，而且裝置短期內沒有更換反應器的計劃，螺栓布置優化和法蘭型式改進均無法實施。因此，使用回彈性能優異和應力松弛很小的耐高低溫交變和耐高溫蠕變的墊片是唯一可行的有效措施。
02 高低溫交變法蘭泄漏處置措施
2.1 法蘭面的現場修復
使用便攜式法蘭加工設備進行加工；修復工藝設計合理，現場修復過程質量控制到位，法蘭密表面粗糙度可達Ｒa1.6 μm，平面度可達 ±0.05 mm。
2.2 墊片改型
2.2.1 改用雙金屬自緊波齒墊
2012 年5 月停工檢修時，墊片改用雙金屬自緊波齒墊。
在裝置正常生產時，由于墊片金屬骨架的內圓周開放、外圓周封閉，介質會通過內圓周滲透進兩片環形金屬板之間，推動兩片金屬板分別向外壓向對應的法蘭面。理論上，雙金屬自緊波齒墊適合于工作壓力較高并頻繁波動的工況。
圖 4 雙金屬自緊波齒墊結構示意
但在實際運行中，該墊片僅使用了3個月( 2012年5月- 2012年8月) 就發生了泄漏。因此，在大口徑法蘭螺栓少或螺栓預緊載荷不均勻的條件下，再疊加頻繁的高低溫交變和壓力波動，如果交變載荷下的峰值應力過大，就會壓潰雙金屬自緊波齒墊上的石墨密封材料，或者石墨密封材料因局部應力過載而失去回彈性，從而導致墊片泄漏。
這種型式的墊片在該裝置的2臺高壓換熱器上也有使用。從 2012 年 5 月運行至 2016 年 4 月，使用效果良好，未發現泄漏。2016 年 4 月停工檢修時，對這 2 臺高壓換熱器拆下的 4 只墊片進行著色滲透檢查，在 1 只墊片的外圓周上發現了表面微裂紋。據此推斷，這種墊片的熔焊縫是其薄弱點，在偶發的制造缺陷、安裝損壞等可能情況下，熔焊縫對交變載荷的抵抗性變差，焊縫缺陷處可能發生裂紋泄漏。
雙金屬自緊波齒墊工作在此反應器大法蘭苛刻工況下，依然發生了局部泄漏。在單點注膠后，雖然暫時阻止了介質的嚴重外漏，但裂紋依然在擴展，或其石墨密封材料局部應力過載部位也會發生泄漏。最終只能被迫在整個法蘭面注膠，設備帶病運行。
2.2.2 改用可檢漏恒應力復合密封墊片
2016 年5月停工時，將墊片型式改為可檢漏恒應力復合密封墊片。該墊片由一級密封 C 型密封環、二級密封石墨密封環、三級輔助密封以及內置式可檢漏組件組成，如圖5所示。
圖5 可檢漏恒應力復合密封墊片典型結構
在墊片安裝完成、螺栓上緊后，C環將壓縮到與限制外環平齊，墊片兩側的法蘭面與墊片的限制外環直接接觸，形成“金屬碰金屬”。只要保持法蘭密封面與金屬限制外環有正的接觸應力，無論高低溫交變或高低壓頻繁波動載荷導致的法蘭螺栓峰值應力有多大，由于存儲在限制外環金屬骨架內的載荷優先釋放，一級密封 C 型密封環和二級密封石墨密封環都不會被壓潰或過載失去回彈性。此外，由于主密封C環的內環采用了耐高溫、抗蠕變性能好的 Inconel 750 鎳基合金金屬彈簧，中間層采用了耐腐蝕性能好的Inconel 600合金，密封層采用純銀，出廠檢測密封緊密度達1 × 10-9 Pa·m3 / s；二級密封采用高溫熱損失小于1%的改性石墨，出廠檢測密封緊密度＜1 × 10 -6 Pa·m3 / s，提高了內側C環的背壓、降低 了C 環密封面壓差。一級和二級密封相互協調，確保了密封持續有效。
這種復合墊片的缺點是: 由于C環接近于金屬線密封結構，因此與 C 環接觸的法蘭面粗糙度至少要達到Ｒa3.2 μm。考慮到過濾器殼體法蘭、管板上下表面、反應器大法蘭表面粗糙度的設計值都是Ｒa6.4 μm，在每次更換墊片前，都需要安排過濾器殼體法蘭和反應器法蘭的現場修復，以及協調過濾器廠家提高管板上下表面的粗糙度。
2016 年 5 月停工時，裝置首次使用了可檢漏恒應力復合密封墊片，2016 年 9 月發現引漏管處有凝液，3 滴/min，除此之外整個法蘭面再未檢測到泄漏點。經分析原因是：首次使用經驗不足，且用于泄漏收集的可檢漏輔助密封環“吃掉”了20%左右的一級或二級密封的載荷，導致螺栓載荷偏低。考慮到引漏管引出的是內徑1500的大口徑密封件整個圓周一圈收集到的泄漏介質總量，實際泄漏量不大，故未做處理。2018 年 5 月停工檢修時，將墊片緊固力矩值由原來的14000N·m提高到19300N·m，運行一個大修周期，未發生泄漏。2023年大修時，該煉油廠仍然采購并使用這種可檢漏恒應力復合密封墊片防治S-Zorb反應器大法蘭泄漏。
2.2.3 選用墊片式主輔密封泄漏收集器
對于長期服役于高低溫交變工況下的烯烴轉換反應器和溫差應力大的多聯裝換熱器進出口法蘭密封，采用墊片式主輔密封泄漏收集器，一個大修周期下來，經法蘭密封狀態在線監測系統監測測試驗證泄漏收集器的主密封依然維持在低泄漏的健康狀態，消除了泄漏頑疾。
圖6 墊片式主輔密封泄漏收集器
圖7 法蘭密封狀態在線監測預防系統
（圖中紅色圈內為無線監測節點設備）
對于塔頂、罐頂或保溫層下高溫油氣或高低溫交變不可達法蘭密封點，采用法蘭密封狀態在線連續監測和預防系統，可在第一時間發現泄漏，泄漏早知道，通過預測性維護避免小微泄漏在隱蔽狀態下發展成為中漏或大漏，消減消除二甲苯解析劑或硫化氫泄漏等臭氣異味擴散或人員中毒隱患，預防煉化裝置非計劃停車消缺或應急帶壓堵漏，防患于未然。
03 總結
（1）S-Zorb反應器大法蘭的泄漏，有工藝操作、墊片選型、螺栓布置和法蘭型式等諸多原因；結合裝置實際情況，使用耐高低溫交變和耐高溫蠕變的、具有優異回彈性能和耐松弛性好的可檢漏恒應力復合密封墊片；經過5年以上的嚴格考驗，被證明是最有效的泄漏防治措施。
（2）大口徑油氣法蘭長期運行在高低溫交變或高溫工況下，選用墊片式主輔密封泄漏收集器，可有效防治高低溫交變工況下長期運行的烯烴轉換反應器和溫差應力大的多聯裝換熱器進出口法蘭密封泄漏頑疾；經過5年以上的測試驗證，證明泄漏防治措施可靠有效。
