中国石油塔里木油田石化分公司尿素装置采用SNAM氨汽提法工艺，来自界区的原料液氨在进入中压系统前须经过液氨过滤器过滤。自2010年5月开工生产运行以来，液氨过滤器封头法兰密封在历次开车引氨阶段均出现失效现象，现场数次更换垫片及紧固螺栓均未能有效解决，导致生产现场操作条件恶化、装置运行能耗上升、环境受到污染。

在分析法兰密封失效时，首先检查了法兰的加工质量、法兰的倾斜、法兰的错位、法兰密封面的缺陷，排除了制造质量的问题；其次，排除了介质对垫片的腐蚀以及压力波动的影响；最后，根据该设备的介质特性，认为是温度变化引起螺栓预紧力的松弛，从而造成了泄漏。以开车引氨阶段液氨过滤器内部温度变化为例，在合成氨装置尚未生产出满足尿素装置开车所需求热氨的情况下，需从液氨储罐通过冷氨产品泵泵送一部分冷氨补充至尿素装置的中压系统，为了满足中压系统对所接受液氨温度的工艺要求，冷氨产品泵泵送的冷氨先经氨加热器后再进入尿素装置界区，由于冷氨温度提升需要一定时间，使得引氨初期总有一部分低温液氨(-20 ℃左右)进入液氨过滤器，而正常运行状态下合成氨装置供应的液氨温度为10 ℃左右，近30 K的负温差变化首先引起法兰的冷缩，使垫片压缩量减小；而紧固螺栓处于环境温度中，受负温差影响比法兰小得多，其冷缩量比法兰的冷缩量要少得多，原始施加的预紧力使螺栓有一定的伸长量，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，使螺栓松弛，预紧力发生变化，密封比压下降，从而引起密封泄漏。据不完全统计，造成法兰密封泄漏的原因，半数以上是由于螺栓预紧力下降所致。

尿素装置中压系统液氨过滤器在开车引氨阶段不可避免需要承受近30 K负温差变化，造成封头法兰密封频繁泄漏，现场数次更换垫片及紧固螺栓均未能有效解决问题。针对螺栓预紧力松弛这一问题，经过多方咨询，认为在法兰螺栓两侧安装一种弹性机械元件—预紧碟簧(图 1)，通过精确计算后确定结构形状并选用合适的材质, 可以在很小的变形下提供足够的预紧力载荷，从而有效降低密封失效的风险^[1]。

图 1

碟簧安装示意

2.2 碟簧结构形式的选择

一般每只螺栓每侧安装1片碟簧就可以满足绝大多数情况下的补偿要求。根据碟簧设计中考虑的各种力(图 2)可以得出，碟簧达到有效预紧必须满足P_min＜P_预紧＜P_max。为此，按照每只螺栓每侧安装1片碟簧并结合设备实际运行参数，对材质为20813的碟簧是否能够达到有效预紧进行了详细计算，计算得出碟簧的初始预紧力为178 011 N。氨过滤器最高工作压力为2.3 MPa，最高工作温度为10 ℃，封头法兰所使用螺栓的有效截面积为816.7 mm²，可计算得出该工况下碟簧的最大载荷力P_max=191 990 N，最小载荷力P_min=114 354 N。比较以上数据，满足P_min＜P_预紧＜P_max，表明选用的碟簧属于有效预紧，该碟簧选型合适。

图 2

碟簧设计中考虑的各种力

在螺栓两端各添加1片碟簧后，历经数次开车引氨，液氨过滤器封头法兰密封再未发生泄漏，在改善生产现场操作环境的同时，降低了装置运行能耗，减轻了对环境的污染。预紧碟簧使用前后封头法兰密封情况对比见图 3。

图 3

预紧碟簧使用前后封头法兰密封情况对比

尿素装置高压设备管道法兰设计采用曲面密封，法兰片之间通过加持金属自紧密封环形垫片(椭圆环形垫片、八角环形垫片和透镜环形垫片)实现连接部位密封^[2]，其密封截面形式见图 4。

图 4

高压设备管道法兰密封截面形式

目前，尿素装置高压系统主要存在以下几个部位的外漏隐患：尿素合成塔出液管线调节阀(HV1006)后连接法兰密封，氨汽提塔上部合成尿液进口管线连接法兰密封，甲铵喷射器液氨进口法兰密封，CO₂压缩机四段出口放空阀前连接法兰密封以及CO₂压缩机四段出口温度计插入接口法兰密封。在运行过程中，发现上述部位出现泄漏后，分别通过使用液压工具或人工敲击进行螺栓紧固、更换配对法兰和密封垫片以及带压堵漏，均未取得预期效果。究其根本原因，在于发生泄漏部位的连接法兰以及密封垫片的曲面密封面产生了贯通性损伤；此外，泄漏部位更换合格法兰和密封垫片之后紧固螺栓的均匀度不易掌握。由于系统开停车过程中存在大的温度和压力变化(最大差值约为150 K和14.5 MPa)，导致法兰连接螺栓预紧力下降，引发密封面局部泄漏，在泄漏无法迅速消除的情况下，特别是具有强腐蚀性的工艺介质在刺漏过程中非常容易损伤曲面密封面。

曲面密封面出现贯通损伤后，无论法兰密封面还是金属垫片密封面，不像平面密封面那样可以采用手磨或机磨进行修复。即使进行修复，如果法兰与垫片密封面的贴合度不好，非常难以通过提高连接螺栓预紧力来彻底消除在高压系统开停车阶段因大的温度和压力变化导致螺栓预紧力下降所引发的外部泄漏。如HV1006后连接法兰密封部位，检修期间泄漏部位法兰以及密封垫片均进行了更换，但在检修完成开车运行后不久再次出现了泄漏。

在法兰紧固螺栓两端加装合适的预紧碟簧成功解决液氨过滤器封头法兰密封失效问题说明，针对因同样因素导致的高压设备管道法兰密封泄漏，使用预紧碟簧也应该是可行和有效的。

从液氨过滤器封头法兰密封泄漏问题的解决中可看出，泄漏是一个比较复杂多变且常见的问题。炼化装置多年的运行实践表明, 浮动预紧碟簧安装简单，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, 可有效改善密封性能，但必须严格按照计算选用符合预紧力要求和材质要求的碟簧，同时配合合适的垫片, 在安装时需按照紧固力要求采用多头同步扳手依次紧固，才能保证碟簧的作用完全发挥，从而使法兰密封泄漏问题得到有效治理，降低装置维护成本和改善现场操作环境。