连续重整再生单元高温对夹止回阀失效分析

0 引言

随着炼油技术的发展，很多炼油装置需要在高温工况下运行，这对法兰密封连接系统提出了越来越高的要求。高温会引起垫片老化，回弹力下降；高温还会导致螺栓蠕变伸长，从而影响整个螺栓法兰连接系统密封可靠性。

某炼油厂在开车时发现，连续重整装置再生单元从2号还原气电加热器出来管线上的对夹式止回阀发生闪爆，同时另外几处高温管线上的对夹式止回阀也出现了不同程度的泄漏。为此，从可能造成泄漏的部件(垫片、螺栓、阀门)连接形式来分析造成该止回阀泄漏的原因。

1 原因分析

该装置再生单元的设计是按照美国UOP工艺包来进行的，发生泄漏的阀门所在的管线设计温度为650 ℃，设计压力为1.45 MPa，该管线材质为A312 Gr.TP304H，法兰压力等级为CL300。按照工艺包的要求，此处的止回阀采用的是对夹式止回阀，见图1。

图1 再生还原区高温管线对夹式止回阀

1.1 高温下垫片的失效分析

垫片是法兰连接系统中的关键元件，其性能直接关系到整个法兰连接系统的密封寿命。垫片的密封性能是评定垫片质量的一项综合指标[1]。该止回阀采用的垫片为金属缠绕垫，金属带材料为SS321，填充材料为柔性石墨。

柔性石墨在高温工况下长期使用会出现高温氧化等现象。柔性石墨的主要成分是碳，长期使用在500 ℃以上，C60会逐渐分解为CO和CO2，造成柔性石墨的质量损失，表面氧化。美国GrafTech公司对柔性石墨在500 ℃下持续氧化24 h进行了热重损失研究，见图2。结果表明：柔性石墨处于氧化环境下，随着时间的延长和温度的升高，热重损失变化很快，在500 ℃下，热重损失接近30%。

图2 柔性石墨在500 ℃下氧化24 h失重图

该止回阀在高温工况下运行一段时间后，柔性石墨的氧化情况如图3所示。

图3 柔性石墨在高温工况下的氧化情况

从图3可见，因柔性石墨被高温氧化造成金属缠绕垫的表面出现凹凸不平，这样与法兰的接触面就会有缝隙。垫片是借助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，切断或者阻止流体泄漏。图3所示垫片，在高温受压的工况下有可能发生泄漏。

为了保证预紧时垫片表面和法兰面能够形成初始的密封，需要垫片有良好的压缩回弹性。而当设备投入运行后，随着温度不断升高，回弹量变小，再加之柔性石墨的高温老化，热失重增加，这些都会导致法兰面和垫片表面产生相对分离的倾向[2-3]。当不足以补偿介质压力、温度和法兰附加载荷引起的密封面的分离时，就可能导致泄漏。

1.2 高温下螺栓的失效分析

螺栓是法兰连接系统的紧固元件，在高温下，螺栓的失效不仅对法兰连接系统中的密封性有影响，更会对系统的经济性和安全性有很大的影响。高温工况下导致螺栓失效主要原因有高温脆性断裂、高温蠕变松弛、预紧力影响等方面。

1.2.1 高温螺栓的脆性断裂

螺栓在高温条件下长时间运行会造成螺栓内部的微观组织变化，并造成冲击韧性值的下降[4]。该螺栓采用了UOP工艺包要求的“Stud bolts ASTM A193 Grade B8M Class 2 threaded length with 2 ASTM A194 Grade B8MA nuts”。这种螺栓属于经过形变硬化后得到的奥氏体不锈钢螺栓，其最低抗拉强度为758 MPa，最低屈服强度为655 MPa，不同温度(300 ℃以上)下的最大许用应力见表1。

表1 螺栓ASTM A193 Grade B8M Class 2 许用应力

由表1数据可知，此种不锈钢螺栓最高使用的安全温度为550 ℃。根据ASME B31.3第301.3.3条款规定：“对于外部保温的管道，组件的设计温度应是流体的温度。”在设计时，对该阀门按照工艺要求进行了保温设计。在保温工况下，该阀门内部介质为设计温度650 ℃的还原氢气，可见此时的介质温度已超过所选用螺栓标准规定的最高使用温度，螺栓在此温度下很可能发生脆性断裂，存在一定风险。

1.2.2 高温螺栓的蠕变松弛

金属材料在高温和持续应力同时作用下产生缓慢塑性变形的现象称为蠕变。而松弛是金属材料蠕变的另一种表现形式,即在总变形量不变的条件下,由于蠕变的作用,材料弹性应力随时间增加而减小的现象称为松弛[5-6] 。

在温度和压力上升至操作条件并稳定后,随着操作时间的延长,由于高温蠕变的作用, 螺栓弹性应变逐渐变小,剩余应力也逐渐变小,产生应力松弛。螺栓的应力松弛是典型的蠕变松弛现象。当螺栓拉紧力因应力松弛变得越来越小时,垫片压紧力也随着变小,当其小于操作状态下密封需要的最小垫片压紧力时, 法兰接头开始泄漏,导致密封失效。

1.2.3 螺栓预紧的影响

在安装过程中,螺栓需要有外加作用力才能紧固法兰连接系统,这个外加的作用力称为预紧力。由于各个紧固螺栓的外加预紧力不容易控制均匀,所以就造成螺栓受到偏心载荷作用,在螺栓上产生附加的弯曲应力,加上温度及介质载荷的波动,其对螺栓强度影响极大,这是造成螺栓早期失效的主要因素之一。因此，对于本次止回阀螺栓的安装，现场施工预紧工作是否到位也影响螺栓安全使用。

1.3 止回阀连接形式的选择

该止回阀采用双板式结构，连接形式按照UOP工艺包要求，选用的是对夹式，其结构形式详见图4。

图4 对夹式止回阀结构图

由图4可见，该阀门连接形式要求螺栓为长螺栓连接，将阀体对夹在管道两片法兰之间。从第1.2.2节螺栓在高温工况下发生蠕变松弛分析可得，对于长螺栓而言，所需要的热紧力要大于同温度下正常长度的螺栓，在高温工况下，蠕变变形导致螺栓伸长，每mm长度的压紧力下降累积起来大于普通长度螺栓，这样会导致螺栓作用于垫片的压力减小，密封性能下降而有可能产生泄漏。

2 解决措施

通过采取以下措施，对再生高温部分阀门法兰连接处的垫片填充材料进行更换，法兰处不予以保温，对夹式止回阀采用双法兰连接形式，目前该部位的止回阀无闪爆现象发生，装置运行平稳。

2.1 垫片填充材料更换

由以上分析可知，高温工况下，因压力和温度波动的影响，加之螺栓应力松弛和蠕变的发生，要求垫片具有足够的抗高温氧化性能。目前在高温工况下，缠绕垫填充材料较多地选用了固力特材料(Thermiculite)。这种高温密封材料是由经过化学处理和热处理后制成层片状结构蛭石构成的，它具有和柔性石墨相似的物理性质，但此材料耐高温性能好，不易被氧化，即使温度到900 ℃仍具有优良的密封性能，但缺点是价格较贵，在设计中对于重点高温部位可以酌情考虑采用Thermiculite做填充材料。

2.2 对夹式止回阀法兰连接处不保温

ASME B31.3第301.3.1条款规定：“对于不保温组件，螺栓连接件的设计温度不得低于介质温度的80%。”因此，在本工况下，高温还原氢气设计温度650 ℃的80%,即520 ℃，在ASTM A193 Grade B8M Class 2这种形变硬化不锈钢螺栓最高使用的安全温度范围内。

2.3 止回阀连接形式的更换

将对夹式止回阀换为双法兰式止回阀，长螺栓改为普通螺栓，这可以将螺栓高温蠕变而造成松弛的危害降低。

3 结束语

高温工况是炼油装置常见的工况，其管线阀门法兰连接系统密封性应是设计时重点考虑的问题。本文分析的止回阀所用的垫片、螺栓、阀门连接形式都需要考虑到高温工况可能出现的问题，应选用合适的材质及形式。同时，在装置的实际运行中，应对装置的关键密封点进行监控，定期进行检查，避免装置突然泄漏，从而为装置的安全、稳定、长周期运行创造有利条件。