某炼油厂第一套S-Zorb装置自2009 年 11 月首次开工以来，反应器大法兰一直存在泄漏问题，严重时多次发生着火，成为影响装置安全生产和正常操作的一个重要瓶颈。

图1  S-Zorb反应器大法兰

反应器介质为氢气、汽油和吸附剂，操作压力约2.6MPa，操作温度约 416℃，采用流化床工艺，底进顶出，在顶部设置过滤器。反应器内的气相介质通过过滤器时，气相夹带的吸附剂颗粒会逐渐聚集在滤芯表面，过滤器的压力降也逐渐增加；当压力降达到预先设定值时，SIS 系统启动自动反吹程序，脉冲分区反吹温度约为243℃，去除滤芯表面滤饼。反应器与过滤器连接结构如图 1 所示。

图2 反应器与过滤器连接结构

表1 反应器大法兰泄漏与防治情况

与S-Zorb反应器大法兰循环工况类似的烯烃厂OCU烯烃转化反应器，也长期运行在高低温交变工况下，容易泄漏。

图 3 高危易漏烯烃厂OCU反应器法兰密封

表2 烯烃厂OCU反应器法兰高低温交变工况

01  泄漏原因分析

1.1  反吹循环周期随开工周期变化

周期性的、顺时针方向对 6 个分区进行反吹，压力频繁波动，法兰连接接头的螺栓和垫片会发生疲劳；温度频繁波动，法兰连接接头中的螺栓、螺母、法兰、密封垫片和连接筒体各部件产生变形不协调并不断恶化; 6 个阀门分区顺次脉冲开关，导致大法兰圆周方向上的应力水平不一致。上述因素叠加后综合作用于反应器大法兰上，最终会导致工作密封应力的局部或整体缺失，密封泄漏失效。

1.2  垫片选型不适合高低温交变

设计时该反应器法兰密封面选用了齿形垫，该垫片的制造标准HG20632—2009 对于压缩和回弹率没有具体要求，垫片质量评价报告中也没有垫片回弹性能方面的检验项目。齿形垫片表面覆盖的石墨可以增强密封面之间的啮合性，但不改变其压缩回弹特性。在螺栓载荷发生周期性显著变化时，其工作密封应力会急剧衰减，容易导致密封失效。所以，齿形垫片并不适合高低温交变工况条件下的密封需求。

1.3  螺栓布置数量偏少

该S-Zorb 装置建造投用期间，国内共有 7 套 S-Zorb 装置同时开工建设，这7套装置均采用同一个厂家的过滤器，紧固件都是过滤器厂家设计并供货。开工后这7套装置均发生了不同程度的泄漏。经调研，这7套装置的螺栓布置情况如表2所示。

表3 国内类似装置螺栓布置

通过表2数据对比可以看出，A企业的S-Zorb 装置法兰螺栓中心圆直径最大，但螺栓的螺纹规格最小，螺栓的数量最少，会造成整个法兰圆周方向上螺栓预紧力的均匀性较差。即使以后考虑更换其他回弹性能较好的垫片，局部依然有可能会过度预紧或疲劳载荷下过载造成垫片回弹性消失，从而发生泄漏。因此，设计上应尽可能增加螺栓数量，使螺栓的预紧力、垫片的受力更为均匀。

1.4  法兰型式有改进空间

鉴于S-Zorb装置反应器大法兰长期服役在压力和温度交变工况下，可以将法兰密封型式改为凹凸面( FM/M) 型式，降低压力波动对密封应力的影响。

对于类似S-Zorb反应器大法兰、烯烃OCU反应器进出料法兰和连续重整反应器进出料法兰，需要长期工作在高低温交变和高温油气工况下，考虑到所有的泄漏都发生在装置运行一定时间之后，操作压力或温度的波动和高温蠕变应力松弛是法兰密封泄漏的主要原因。由于工艺流程无法改变，而且装置短期内没有更换反应器的计划，螺栓布置优化和法兰型式改进均无法实施。因此，使用回弹性能优异和应力松弛很小的耐高低温交变和耐高温蠕变的垫片是唯一可行的有效措施。

02  高低温交变法兰泄漏处置措施

2.1  法兰面的现场修复

使用便携式法兰加工设备进行加工；修复工艺设计合理，现场修复过程质量控制到位，法兰密表面粗糙度可达Ｒa1.6 μm，平面度可达 ±0.05 mm。

2.2  垫片改型

2.2.1 改用双金属自紧波齿垫

2012 年5 月停工检修时，垫片改用双金属自紧波齿垫。

在装置正常生产时，由于垫片金属骨架的内圆周开放、外圆周封闭，介质会通过内圆周渗透进两片环形金属板之间，推动两片金属板分别向外压向对应的法兰面。理论上，双金属自紧波齿垫适合于工作压力较高并频繁波动的工况。

图 4 双金属自紧波齿垫结构示意

但在实际运行中，该垫片仅使用了3个月( 2012年5月- 2012年8月) 就发生了泄漏。因此，在大口径法兰螺栓少或螺栓预紧载荷不均匀的条件下，再叠加频繁的高低温交变和压力波动，如果交变载荷下的峰值应力过大，就会压溃双金属自紧波齿垫上的石墨密封材料，或者石墨密封材料因局部应力过载而失去回弹性，从而导致垫片泄漏。

这种型式的垫片在该装置的2台高压换热器上也有使用。从 2012 年 5 月运行至 2016 年 4 月，使用效果良好，未发现泄漏。2016 年 4 月停工检修时，对这 2 台高压换热器拆下的 4 只垫片进行着色渗透检查，在 1 只垫片的外圆周上发现了表面微裂纹。据此推断，这种垫片的熔焊缝是其薄弱点，在偶发的制造缺陷、安装损坏等可能情况下，熔焊缝对交变载荷的抵抗性变差，焊缝缺陷处可能发生裂纹泄漏。

双金属自紧波齿垫工作在此反应器大法兰苛刻工况下，依然发生了局部泄漏。在单点注胶后，虽然暂时阻止了介质的严重外漏，但裂纹依然在扩展，或其石墨密封材料局部应力过载部位也会发生泄漏。最终只能被迫在整个法兰面注胶，设备带病运行。

2.2.2 改用可检漏恒应力复合密封垫片

2016 年5月停工时，将垫片型式改为可检漏恒应力复合密封垫片。该垫片由一级密封 C 型密封环、二级密封石墨密封环、三级辅助密封以及内置式可检漏组件组成，如图5所示。

图5 可检漏恒应力复合密封垫片典型结构

在垫片安装完成、螺栓上紧后，C环将压缩到与限制外环平齐，垫片两侧的法兰面与垫片的限制外环直接接触，形成“金属碰金属”。只要保持法兰密封面与金属限制外环有正的接触应力，无论高低温交变或高低压频繁波动载荷导致的法兰螺栓峰值应力有多大，由于存储在限制外环金属骨架内的载荷优先释放，一级密封 C 型密封环和二级密封石墨密封环都不会被压溃或过载失去回弹性。此外，由于主密封C环的内环采用了耐高温、抗蠕变性能好的 Inconel 750 镍基合金金属弹簧，中间层采用了耐腐蚀性能好的Inconel 600合金，密封层采用纯银，出厂检测密封紧密度达1 × 10-9 Pa·m3 / s；二级密封采用高温热损失小于1%的改性石墨，出厂检测密封紧密度＜1 × 10 -6 Pa·m3 / s，提高了内侧C环的背压、降低 了C 环密封面压差。一级和二级密封相互协调，确保了密封持续有效。

这种复合垫片的缺点是: 由于C环接近于金属线密封结构，因此与 C 环接触的法兰面粗糙度至少要达到Ｒa3.2 μm。考虑到过滤器壳体法兰、管板上下表面、反应器大法兰表面粗糙度的设计值都是Ｒa6.4 μm，在每次更换垫片前，都需要安排过滤器壳体法兰和反应器法兰的现场修复，以及协调过滤器厂家提高管板上下表面的粗糙度。

2016 年 5 月停工时，装置首次使用了可检漏恒应力复合密封垫片，2016 年 9 月发现引漏管处有凝液，3 滴/min，除此之外整个法兰面再未检测到泄漏点。经分析原因是：首次使用经验不足，且用于泄漏收集的可检漏辅助密封环“吃掉”了20%左右的一级或二级密封的载荷，导致螺栓载荷偏低。考虑到引漏管引出的是内径1500的大口径密封件整个圆周一圈收集到的泄漏介质总量，实际泄漏量不大，故未做处理。2018 年 5 月停工检修时，将垫片紧固力矩值由原来的14000N·m提高到19300N·m，运行一个大修周期，未发生泄漏。2023年大修时，该炼油厂仍然采购并使用这种可检漏恒应力复合密封垫片防治S-Zorb反应器大法兰泄漏。

2.2.3 选用垫片式主辅密封泄漏收集器

对于长期服役于高低温交变工况下的烯烃转换反应器和温差应力大的多联装换热器进出口法兰密封，采用垫片式主辅密封泄漏收集器，一个大修周期下来，经法兰密封状态在线监测系统监测测试验证泄漏收集器的主密封依然维持在低泄漏的健康状态，消除了泄漏顽疾。

图6 垫片式主辅密封泄漏收集器

图7 法兰密封状态在线监测预防系统

（图中红色圈内为无线监测节点设备）

对于塔顶、罐顶或保温层下高温油气或高低温交变不可达法兰密封点，采用法兰密封状态在线连续监测和预防系统，可在第一时间发现泄漏，泄漏早知道，通过预测性维护避免小微泄漏在隐蔽状态下发展成为中漏或大漏，消减消除二甲苯解析剂或硫化氢泄漏等臭气异味扩散或人员中毒隐患，预防炼化装置非计划停车消缺或应急带压堵漏，防患于未然。

03  总结

（1）S-Zorb反应器大法兰的泄漏，有工艺操作、垫片选型、螺栓布置和法兰型式等诸多原因；结合装置实际情况，使用耐高低温交变和耐高温蠕变的、具有优异回弹性能和耐松弛性好的可检漏恒应力复合密封垫片；经过5年以上的严格考验，被证明是最有效的泄漏防治措施。

（2）大口径油气法兰长期运行在高低温交变或高温工况下，选用垫片式主辅密封泄漏收集器，可有效防治高低温交变工况下长期运行的烯烃转换反应器和温差应力大的多联装换热器进出口法兰密封泄漏顽疾；经过5年以上的测试验证，证明泄漏防治措施可靠有效。