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摘 要：炼铁工序中蒸汽主要用于置换高炉炉体、重力除尘器及热风炉等内部的煤气，以便维修人员对设备进行检查、检修。同时，蒸汽还用作炼铁工序部分设备的保温，以保证设备的稳定、高效的运行。此外，蒸汽还是高炉鼓风加湿的主要能源介质，通过在高炉鼓风中增加一定量蒸汽，可以有效的保持炉缸热状态的稳定无波动。故本文选取蒸汽法兰密封泄漏为研究对象，阐述法兰密封的概念、泄漏形式以及蒸汽法兰密封泄漏的原因分析。根据分析的结果，结合我公司的现场、生产实际，提出了蒸汽法兰泄漏的解决方法。
关键词：蒸汽;法兰密封;泄漏;垫片
引言
蒸汽系统法兰密封泄漏原因较复杂，同时，蒸汽法兰密封泄漏将直接或者间接的造成高炉的检修脱期、高炉炉况不顺稳，因此对高炉蒸汽法兰密封的泄漏有着严格的要求。为了确保蒸汽法兰密封效果，本人对蒸汽法兰密封泄露提出了处理方法，其包括密封垫片、法兰之间增加高温密封脂及法兰螺栓增加蝶簧。结合本公司炼铁作业部对二号高炉鼓风蒸汽加湿控制阀法兰密封泄漏的处理，阐述了蒸汽法兰密封泄露的处理方法及实施效果。本文仅对蒸汽法兰密封泄漏现象、原因及处理方法做简要分析，以期在实际生产实践过程中能起到积极的作用。
一、法兰密封
法兰连接一般是由法兰、垫片和螺栓一螺母三部分组成。通常靠上紧螺栓，使法兰密封面压紧垫片，垫片产生弹塑性变形，填满法兰密封面上由于加工粗糙度等微观凹凸不平形成的间隙来实现密封。法兰连接虽具有结构简单、可实现多次重复拆装及使用等优点，但如果对法兰、垫片和螺栓螺母等选用不当，或者安装不正确，都会引起法兰联接处严重泄漏，导致密封失效。如图1，法兰密封结构图。
二、泄漏形式
法兰连接泄漏有两种形式：一种是沿法兰与垫片的接触面（即密封面）的泄漏，叫作“界面泄漏”。界面泄漏是由于法兰密封面与垫片密封面具有一定的粗糙度、不平度等，致使两者的接触面上存在着间隙造成的。依靠上紧螺栓减小接触界面的间隙，是减少泄漏的有利方法之一。第二种是对由纤维制成的非金属垫片透过纤维间微小间隙的泄漏，称为“渗透泄漏”。渗透泄漏可视为毛细现象，泄漏量大小与材质的紧密度有关。在纤维材料中添加某些填充剂，如石棉加入橡胶;用纖维性材料与金属材料一起成型为组合式垫片，如不锈钢石墨缠绕垫片、金属包垫片等，都能避免渗透泄漏现象。
一般来讲，高温介质法兰密封大多数泄漏属于界面泄漏且产生的危害比渗透泄漏大得多。因此，本文主要考虑研究界面泄漏。
三、蒸汽法兰密封泄漏的原因分析
（一）蒸汽管道冷态的状态下引入蒸汽产生液击的情况
结合本公司蒸汽压力浮动较大的特点，对蒸汽法兰密封泄漏做进一步详细的分析，其原因如下：
（1）在非供暖期时，公司饱和蒸汽管线压力平均0.9MPa，蒸汽管道在冷态的情况下引入蒸汽时，由于管道的温度低于蒸汽的温度，使得管道及其他附属设施在被加热过程中，消耗蒸汽一部分能量，导致蒸汽放热而由饱和蒸汽变成不饱和蒸汽，析出冷凝水的同时降低了蒸汽介质的温度和压力。由于冷凝水的析出造成蒸汽中带水，在蒸汽管道中其流速较快、流量较大而产生了液击现象。此时，液击对局部管道冲击力量较大，特别是在法兰密封处的影响尤为严重，在法兰的紧固螺栓处产生巨大的拉伸力。此时，螺栓发生拉伸变形，导致螺栓对法兰密封垫片的紧固力低于其密封所需压紧力，而导致法兰密封瞬间失效。
（2）在供暖期时，公司饱和蒸汽管线压力平均低于0.4MPa，蒸汽含水量较大，且蒸汽流速、压力较小。蒸汽管道在冷态的情况下引入蒸汽，管道内液击的力量达不到拉伸螺栓变形，但是降低其紧固力，在瞬间的冲击力释放后，螺栓在受拉伸后的回弹力的作用下，对密封垫片的压缩量瞬间剧增，在这种频繁液击拉伸和回弹压缩的交变载荷作用下，螺栓和金属密封垫片发生塑性变形、回弹能力降低，导致法兰密封面与密封垫片表面出现相对分离，从而发生失效泄漏。
（二）蒸汽管道稳定输送蒸汽的情况
在蒸汽管道正常运行时期，也会发生法兰密封泄漏。这是由于在蒸汽管路升温阶段，垫片、法兰受热膨胀，它们之间的压紧力增大;法兰、螺栓也受热膨胀，而法兰的热膨胀量大于螺栓，它们之间额外的温度载荷又加剧了螺栓紧固力，使得垫片处的压紧力增大。在蒸汽管路稳定运行阶段，由于管道及附属设施一直处在高温、饱和蒸汽环境中，金属材料的弹性模量、屈服极限将大幅降低，垫片发生蠕变、回弹能力降低而导致失效。法兰由于较垫片厚得多、较螺栓短得多，故主要出现弹性变形，而塑性变形较小。当蒸汽增加或者减少用量，导致蒸汽管网跟随其波动的情况下，已发生法兰密封垫失效处就会发生泄漏。
（三）在蒸汽管道温度下降的情况
由于设备、工艺等因素的影响，致使部分蒸汽管线在铺设时不可避免地产生局部盲端、死角及泄水难点，该处长期聚集流动性差的蒸汽，其热量逐渐通过管线传导到外界环境（尽管有管线外部覆有厚厚的保温层，但只要存在温度差，其也不能保证绝对不散失热量，只是热量散失的速度慢一些），导致该处的蒸汽逐渐冷却生成冷凝水。这种情况下，管线的温度就会从饱和蒸汽降至100℃以下的冷凝水温度。在升温阶段，因法兰接触蒸汽，而螺栓受到通过法兰传导的热量，故二者存在的温差使得它们的热膨胀量不一致，因而相互约束，不能自由膨胀，必然又产生附加的温度载荷。由于它们长期处于高温、高压状态下，金属材料的弹性模量、屈服极限均大幅降低，导致发生塑性变形，回弹能力下降。当温度降低后螺栓往往并没有随法兰按同一收缩量回弹，导致紧固力降低，在法兰密封面出现间隙，从而发生法兰密封失效泄漏。
由此，蒸汽管路法兰泄漏，主要是由于高温及交变载荷下，垫片发生塑性变形、回弹能力降低;螺栓发生较大的拉伸变形而紧固力下降，无法弥补垫片变形产生的间隙量或对垫片压紧力小于其密封所需压紧力时，导致密封失效。 四、蒸汽法兰密封泄漏的解决方法
（一）增大法兰和密封垫片之间的密封接触面
在密封处涂抹汽轮机密封用的高温密封脂，该密封脂将法兰密封面和垫片之间所有微小间隙及缺陷表面均填满，其接触面积要远远大于垫片表面与法兰密封面之间面积，且随温度逐渐升高开始固化，并长期保持一定弹性。
（二）加强控制螺栓紧固力的稳定状态
（1）在每个螺栓上增加一片碟簧，碟簧的选取按照法兰的工作温度、压力以及螺栓的材质、规格和数量进行确定;
（2）安装时采用手动扳手紧固螺栓，确保将碟簧拧紧至刚好完全展平为止。
（3）为了达到更好的密封效果，要均匀的拧紧螺栓。
在设备正常稳定的运转过程中，受到高温及交变载荷作用下，垫片发生变形，但其表面固化的高温密封脂仍保持良好的弹性;螺栓由于塑性变形伸长，但随之施加在碟簧上的壓力减小，其发生弹性回复，使得螺栓一直保持在原有压紧力的状态，从而杜绝了法兰密封失效导致的泄漏问题。
五、蒸汽法兰密封泄漏解决方法应用实例
（一）二号高炉鼓风蒸汽加湿阀法兰密封泄漏解决效果
2011年12月，鼓风蒸汽加湿管道检修完后，在开始引入蒸汽期间首道手动闸阀（A）外法兰密封处发生泄漏，其法兰密封泄漏原因如下：
（1）当检修完毕后，蒸汽管道处于冷态时引入蒸汽，析出了大量的冷凝水且没有及时排除，致使出现了频繁的液击现象，在法兰密封处产生了较大的交变载荷，且法兰密封垫发生塑性变形、回弹能力较低。
（2）由于A阀门至公司管网a处距离仅为21.5m，公司蒸汽管网的负荷波动在A阀门外口处产生了交变载荷;加之加湿蒸汽管道引入蒸汽开始阶段，加湿系统的流量、压力调整较频繁，在A阀门法兰里口也产生了交变载荷。
综上所述，由于已上两点原因造成蒸汽管道法兰密封泄漏。
2011年10月，利用检修对该处进行细致的处理。处理方法如下：回装时在密封垫片与密封面之间涂抹高温密封脂;每个螺栓上加一件预紧碟簧。根据密封法兰为PN2.5-DN200的突面（RF）法兰，密封垫片为金属包覆垫片，螺栓为24套材质20#钢的M33单头螺栓，工艺介质为压力0.4 MPa --0.9MPa（温度158℃--182℃）的饱和蒸汽，以及通过强度计算及咨询厂家选取碟簧型号为SY1512 （60*33.8*10.5*11）。运行至2014年3月（二高炉检修期间拆开检查），经历了多次系统波动和短停，均未出现泄漏现象。
六、结论
综合以上分析和现场实际应用情况可知：蒸汽管路的螺栓、垫片承受着静载荷、冲击载荷以及交变载荷等多方面因素的影响，传统的紧固方式在这些综合因素的作用下无法保证绝对的无泄漏。采用密封面涂高温密封脂和螺栓加碟簧的方式既简单，又可定量控制施工质量（通过直观的观察碟簧被紧固展平即可），有效地解决了蒸汽系统的法兰泄漏问题。同时，还要用科学、合理的方法对设备进行管理，定期有效的实施管理，才能确保设备长期稳定运行。
参考文献：
[1] 付平，常功德.密封设计手册.北京：化学工业出版社，2009.
[2] R.H.沃林，宋学义，张尔正译.密封件与密封手册.国防工业出版社，1990.
[3] 机械设计手册编委会.机械设计手册（密封件、密封与润滑）.机械工业出版社.2007.
[4] HG20592—20635—1997，各国钢制管法兰、垫片、紧固件标准汇编[S].
[5] 费继增.蒸汽管道法兰泄漏原因分析及对策[J].化工设备与管道，2010，47（2）：46-47.
[6] 沈铁，陆晓峰.高温法兰连接系统的实效分析[J].润滑与密封，2006，176（4）：164-166.
作者简介：
王冬宝（1983-），男，河北省唐山市人，机械设备工程师，能源管理高级工程师，本科，毕业于燕山大学，现就职于：北京首钢股份有限公司。
关键词：蒸汽;法兰密封;泄漏;垫片
引言
蒸汽系统法兰密封泄漏原因较复杂，同时，蒸汽法兰密封泄漏将直接或者间接的造成高炉的检修脱期、高炉炉况不顺稳，因此对高炉蒸汽法兰密封的泄漏有着严格的要求。为了确保蒸汽法兰密封效果，本人对蒸汽法兰密封泄露提出了处理方法，其包括密封垫片、法兰之间增加高温密封脂及法兰螺栓增加蝶簧。结合本公司炼铁作业部对二号高炉鼓风蒸汽加湿控制阀法兰密封泄漏的处理，阐述了蒸汽法兰密封泄露的处理方法及实施效果。本文仅对蒸汽法兰密封泄漏现象、原因及处理方法做简要分析，以期在实际生产实践过程中能起到积极的作用。
一、法兰密封
法兰连接一般是由法兰、垫片和螺栓一螺母三部分组成。通常靠上紧螺栓，使法兰密封面压紧垫片，垫片产生弹塑性变形，填满法兰密封面上由于加工粗糙度等微观凹凸不平形成的间隙来实现密封。法兰连接虽具有结构简单、可实现多次重复拆装及使用等优点，但如果对法兰、垫片和螺栓螺母等选用不当，或者安装不正确，都会引起法兰联接处严重泄漏，导致密封失效。如图1，法兰密封结构图。
二、泄漏形式
法兰连接泄漏有两种形式：一种是沿法兰与垫片的接触面（即密封面）的泄漏，叫作“界面泄漏”。界面泄漏是由于法兰密封面与垫片密封面具有一定的粗糙度、不平度等，致使两者的接触面上存在着间隙造成的。依靠上紧螺栓减小接触界面的间隙，是减少泄漏的有利方法之一。第二种是对由纤维制成的非金属垫片透过纤维间微小间隙的泄漏，称为“渗透泄漏”。渗透泄漏可视为毛细现象，泄漏量大小与材质的紧密度有关。在纤维材料中添加某些填充剂，如石棉加入橡胶;用纖维性材料与金属材料一起成型为组合式垫片，如不锈钢石墨缠绕垫片、金属包垫片等，都能避免渗透泄漏现象。
一般来讲，高温介质法兰密封大多数泄漏属于界面泄漏且产生的危害比渗透泄漏大得多。因此，本文主要考虑研究界面泄漏。
三、蒸汽法兰密封泄漏的原因分析
（一）蒸汽管道冷态的状态下引入蒸汽产生液击的情况
结合本公司蒸汽压力浮动较大的特点，对蒸汽法兰密封泄漏做进一步详细的分析，其原因如下：
（1）在非供暖期时，公司饱和蒸汽管线压力平均0.9MPa，蒸汽管道在冷态的情况下引入蒸汽时，由于管道的温度低于蒸汽的温度，使得管道及其他附属设施在被加热过程中，消耗蒸汽一部分能量，导致蒸汽放热而由饱和蒸汽变成不饱和蒸汽，析出冷凝水的同时降低了蒸汽介质的温度和压力。由于冷凝水的析出造成蒸汽中带水，在蒸汽管道中其流速较快、流量较大而产生了液击现象。此时，液击对局部管道冲击力量较大，特别是在法兰密封处的影响尤为严重，在法兰的紧固螺栓处产生巨大的拉伸力。此时，螺栓发生拉伸变形，导致螺栓对法兰密封垫片的紧固力低于其密封所需压紧力，而导致法兰密封瞬间失效。
（2）在供暖期时，公司饱和蒸汽管线压力平均低于0.4MPa，蒸汽含水量较大，且蒸汽流速、压力较小。蒸汽管道在冷态的情况下引入蒸汽，管道内液击的力量达不到拉伸螺栓变形，但是降低其紧固力，在瞬间的冲击力释放后，螺栓在受拉伸后的回弹力的作用下，对密封垫片的压缩量瞬间剧增，在这种频繁液击拉伸和回弹压缩的交变载荷作用下，螺栓和金属密封垫片发生塑性变形、回弹能力降低，导致法兰密封面与密封垫片表面出现相对分离，从而发生失效泄漏。
（二）蒸汽管道稳定输送蒸汽的情况
在蒸汽管道正常运行时期，也会发生法兰密封泄漏。这是由于在蒸汽管路升温阶段，垫片、法兰受热膨胀，它们之间的压紧力增大;法兰、螺栓也受热膨胀，而法兰的热膨胀量大于螺栓，它们之间额外的温度载荷又加剧了螺栓紧固力，使得垫片处的压紧力增大。在蒸汽管路稳定运行阶段，由于管道及附属设施一直处在高温、饱和蒸汽环境中，金属材料的弹性模量、屈服极限将大幅降低，垫片发生蠕变、回弹能力降低而导致失效。法兰由于较垫片厚得多、较螺栓短得多，故主要出现弹性变形，而塑性变形较小。当蒸汽增加或者减少用量，导致蒸汽管网跟随其波动的情况下，已发生法兰密封垫失效处就会发生泄漏。
（三）在蒸汽管道温度下降的情况
由于设备、工艺等因素的影响，致使部分蒸汽管线在铺设时不可避免地产生局部盲端、死角及泄水难点，该处长期聚集流动性差的蒸汽，其热量逐渐通过管线传导到外界环境（尽管有管线外部覆有厚厚的保温层，但只要存在温度差，其也不能保证绝对不散失热量，只是热量散失的速度慢一些），导致该处的蒸汽逐渐冷却生成冷凝水。这种情况下，管线的温度就会从饱和蒸汽降至100℃以下的冷凝水温度。在升温阶段，因法兰接触蒸汽，而螺栓受到通过法兰传导的热量，故二者存在的温差使得它们的热膨胀量不一致，因而相互约束，不能自由膨胀，必然又产生附加的温度载荷。由于它们长期处于高温、高压状态下，金属材料的弹性模量、屈服极限均大幅降低，导致发生塑性变形，回弹能力下降。当温度降低后螺栓往往并没有随法兰按同一收缩量回弹，导致紧固力降低，在法兰密封面出现间隙，从而发生法兰密封失效泄漏。
由此，蒸汽管路法兰泄漏，主要是由于高温及交变载荷下，垫片发生塑性变形、回弹能力降低;螺栓发生较大的拉伸变形而紧固力下降，无法弥补垫片变形产生的间隙量或对垫片压紧力小于其密封所需压紧力时，导致密封失效。 四、蒸汽法兰密封泄漏的解决方法
（一）增大法兰和密封垫片之间的密封接触面
在密封处涂抹汽轮机密封用的高温密封脂，该密封脂将法兰密封面和垫片之间所有微小间隙及缺陷表面均填满，其接触面积要远远大于垫片表面与法兰密封面之间面积，且随温度逐渐升高开始固化，并长期保持一定弹性。
（二）加强控制螺栓紧固力的稳定状态
（1）在每个螺栓上增加一片碟簧，碟簧的选取按照法兰的工作温度、压力以及螺栓的材质、规格和数量进行确定;
（2）安装时采用手动扳手紧固螺栓，确保将碟簧拧紧至刚好完全展平为止。
（3）为了达到更好的密封效果，要均匀的拧紧螺栓。
在设备正常稳定的运转过程中，受到高温及交变载荷作用下，垫片发生变形，但其表面固化的高温密封脂仍保持良好的弹性;螺栓由于塑性变形伸长，但随之施加在碟簧上的壓力减小，其发生弹性回复，使得螺栓一直保持在原有压紧力的状态，从而杜绝了法兰密封失效导致的泄漏问题。
五、蒸汽法兰密封泄漏解决方法应用实例
（一）二号高炉鼓风蒸汽加湿阀法兰密封泄漏解决效果
2011年12月，鼓风蒸汽加湿管道检修完后，在开始引入蒸汽期间首道手动闸阀（A）外法兰密封处发生泄漏，其法兰密封泄漏原因如下：
（1）当检修完毕后，蒸汽管道处于冷态时引入蒸汽，析出了大量的冷凝水且没有及时排除，致使出现了频繁的液击现象，在法兰密封处产生了较大的交变载荷，且法兰密封垫发生塑性变形、回弹能力较低。
（2）由于A阀门至公司管网a处距离仅为21.5m，公司蒸汽管网的负荷波动在A阀门外口处产生了交变载荷;加之加湿蒸汽管道引入蒸汽开始阶段，加湿系统的流量、压力调整较频繁，在A阀门法兰里口也产生了交变载荷。
综上所述，由于已上两点原因造成蒸汽管道法兰密封泄漏。
2011年10月，利用检修对该处进行细致的处理。处理方法如下：回装时在密封垫片与密封面之间涂抹高温密封脂;每个螺栓上加一件预紧碟簧。根据密封法兰为PN2.5-DN200的突面（RF）法兰，密封垫片为金属包覆垫片，螺栓为24套材质20#钢的M33单头螺栓，工艺介质为压力0.4 MPa --0.9MPa（温度158℃--182℃）的饱和蒸汽，以及通过强度计算及咨询厂家选取碟簧型号为SY1512 （60*33.8*10.5*11）。运行至2014年3月（二高炉检修期间拆开检查），经历了多次系统波动和短停，均未出现泄漏现象。
六、结论
综合以上分析和现场实际应用情况可知：蒸汽管路的螺栓、垫片承受着静载荷、冲击载荷以及交变载荷等多方面因素的影响，传统的紧固方式在这些综合因素的作用下无法保证绝对的无泄漏。采用密封面涂高温密封脂和螺栓加碟簧的方式既简单，又可定量控制施工质量（通过直观的观察碟簧被紧固展平即可），有效地解决了蒸汽系统的法兰泄漏问题。同时，还要用科学、合理的方法对设备进行管理，定期有效的实施管理，才能确保设备长期稳定运行。
参考文献：
[1] 付平，常功德.密封设计手册.北京：化学工业出版社，2009.
[2] R.H.沃林，宋学义，张尔正译.密封件与密封手册.国防工业出版社，1990.
[3] 机械设计手册编委会.机械设计手册（密封件、密封与润滑）.机械工业出版社.2007.
[4] HG20592—20635—1997，各国钢制管法兰、垫片、紧固件标准汇编[S].
[5] 费继增.蒸汽管道法兰泄漏原因分析及对策[J].化工设备与管道，2010，47（2）：46-47.
[6] 沈铁，陆晓峰.高温法兰连接系统的实效分析[J].润滑与密封，2006，176（4）：164-166.
作者简介：
王冬宝（1983-），男，河北省唐山市人，机械设备工程师，能源管理高级工程师，本科，毕业于燕山大学，现就职于：北京首钢股份有限公司。