低温罐泵井顶部法兰密封失效原因分析
主要内容：低温罐泵井顶部法兰在低温罐正常操作时，承受周期性的压力和温度变化，同时还承受泵工作时的振动载荷，若设计不合理可能会引起法兰密封失效，使低温介质从法兰密封处泄漏，导致泵井管附近 罐顶板局部冷脆开裂，造成很大危害。文章通过分析泵井顶部法兰承受的各种工况下的温度、压力、荷载等变化，找出可能导致顶部法兰密封失效的原因，提出避免法兰密封面处泄漏的措施，并给出合理设计顶部泵井法兰及紧固件的建议。
关键词：低温罐 泵井 法兰 失效 泄漏
市场上每年现场建造的大量钢制低温罐，出于安全考虑，越来越多的采取顶部出料设计，在其内罐底部安装有潜液泵，通过泵井可将罐内低温介质输送至低温罐外。
泵井上顶部大法兰一旦发生泄漏，即使是微量泄漏，也会严重破坏低温罐顶。特别是微量泄漏，因其为非持续性，也许只需几分钟时间，泄漏的低温介质就会迅速雾化：若采用常规的催化燃烧式报警器，因泄漏气团浓度未超过爆炸极限上限而未报警埋藏危险因素：此外多数装置在泵井顶部法兰处虽设计了集液盘，但由于夹杂液滴的泄漏气团被风吹落到其他地方（未被不够大的集液盘收集)，或因设计结构存在缺陷，未能有效防止低温介质滴落到常温罐顶钢板上，最终造成其低温冷脆断裂。当发现有裂纹时，泵井法兰貌似恢复正常不泄漏而实际其密封面已经失效却不易被察觉，为后续损伤设备构件留下很大的事故隐患。
本文通过分析法兰面因设计不当导致失效造成泄漏的原因，提出设计时应注意的问题和采取的措施。
1泵井顶部法兰承受的工况分析
2泵井顶部法兰密封面失效原因
通常情况下，法兰密封面泄漏现象有两种形式：渗透泄漏和界面泄漏。当发生渗透泄漏时，流体通过垫片材料本体毛细管泄漏，其影响因素除了介质压力、温度、黏度、分子结构等流体状态性质外，主要还与垫片的结构和材质有关：而界面泄漏是流体从垫片与法兰接触界面泄漏，泄漏大小主要和界面间隙尺寸有关。界面泄漏是常见的和必须重点关注的一种法兰密封失效形式，引发原因有：压紧力分布不均匀、应力松弛、密封面表面粗糙度不合适及温度变化。
应力松弛与扭矩损失是造成界面泄漏的主要原因。螺栓在法兰上拧紧后，迫使垫片产生压缩变形，使法兰密封面上的凹凸不平面借助垫片变形而填满。由于承受压力、机构的振动、温度变化等因素的影响，螺栓扭矩也随之逐渐下降，产生扭矩损失，压紧力下降，当使预紧密封比压下降到小于工作密封比压时，法兰口出现缝隙，导致泄漏。温度变化越大，持续时间越长，振动越强，扭矩损失越严重。
3避免泵井法兰密封面处泄漏的措施
泵井法兰面泄漏会对低温罐顶造成严重破坏，解决泵井法兰处密封泄漏问题的核心是避免发生大量泄漏和减少微量泄漏，在设计时采取主动和被动两种方式防止泄漏损坏低温罐体。
1)主动防止泄漏的措施有：
①首先选择匹配的垫片及紧固件。根据泵井低温高压工况，选用经过应变强化处理的S304A302GR8CL2高等级螺栓，防止螺栓松弛使法兰面压紧力变小出现泄漏。
②其次，若垫片选用缠绕垫片，确定法兰盖及配对法兰密封面的粗糙度、锯齿形同心圆或螺旋齿槽深度、节距应符合表1中提到的ASME B16.5或HG20615法兰制造技术要求中的相关条款。法兰水文线应为加工刀具加工时自然形成的一种锯齿同心圆或螺旋齿槽，加工刀具的圆角半径应不小于1.5mm,形成的锯齿同心圆或螺旋齿槽深度约为0.05mm,节距为0.45~0.55mm;水文线深度过深不利于缠绕垫的密封。设计时应和泵厂家确认，保证配对法兰也按同一标准制造，使两者的制造要求统一。
③提高法兰等级增加法兰刚度，由CLASS150改为CLASS300。当法兰压紧时，因拧紧螺栓时对法兰产生弯矩，使法兰受力不均匀，这种不匀称的联接，使密封面或多或少地发生变形，密封压紧力减小，在运行载荷下容易产生泄漏；而增加磅级，法兰厚度增加，抵抗因弯矩变形的能力提高，有利于垫片压紧，消除间隙，减少泄漏。
④最后是改善泵井法兰的操作工况，减少振动及降低温度差。如严格执行泵的操作程序，严格按照厂家要求控制泵的最低流量，避免产生喘振而引发振动。顶部侧向出口离法兰盖板的距离不小于1.5泵井直径：泵井顶部一段一般不保温以维持泵井顶部有一定量的汽化气体，这样即使发生泄漏，漏出的介质也多为气体，通常不会造成罐顶板脆断，同时侧向出口远离泵井顶部法兰，可改善泵井法兰处低温工况，使其承受温度有所提高，减小温差变化梯度。
4结语
泵井顶部法兰密封失效会对钢制低温罐顶产生严重破坏，所以关键是合理设计和安装，避免或杜绝法兰泄漏，如选择高等级的法兰并匹配合适法兰垫片及紧固件，严格按照标准加工法兰密封面，并遵照泵厂家指导手册对法兰做好预紧和冷预紧等：同时减少顶部泵井设置数量，采取合理结构的集液盘等被动措施防止泄漏液体对罐顶产生危害，并加强泵与泵井相通的电缆等密封安全可靠性，增加泄漏报警装备及时报警，工艺、仪表、机泵、设备等多个专业联合优化设计，确保低温罐的安全运行。
