閥用柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊片密封失效分析及改進(jìn)

　　對(duì)3.5MPa 邊界閥法蘭密封———柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊片密封的泄漏進(jìn)行了密封失效分析，并提出了改進(jìn)方案，解決了墊片密封短期失效問(wèn)題。

1、前言

　　某石化公司加氫裂化裝置蒸汽管道系統(tǒng)中，3.5MPa邊界閥法蘭部位采用了柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊片密封，墊片規(guī)格為312×260×3mm。當(dāng)蒸汽壓力從1.5MPa、溫度200℃上升至壓力3.2MPa、溫度260℃時(shí)，法蘭密封處發(fā)生蒸汽介質(zhì)泄漏，導(dǎo)致密封短期失效，隨后2次更換了同批次墊片，該處均發(fā)生同樣狀態(tài)的蒸汽泄漏。為了避免類似事故發(fā)生，真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)確定能否繼續(xù)使用該墊片，對(duì)柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊密封失效原因進(jìn)行調(diào)查分析，并對(duì)墊片的制造工藝進(jìn)行改進(jìn)。

2、密封失效情況及原因分析

2.1、系統(tǒng)工況

　　加氫裂化裝置是原料油在高溫高壓下與氫氣進(jìn)行裂解反應(yīng)的裝置。裝置中3.5MPa 蒸汽管道系統(tǒng)分支較多，在高溫狀態(tài)下，熱膨脹量大，常使管道受力不均，法蘭處受到的扭矩作用較大，尤其在溫度壓力頻繁波動(dòng)情況下，管道法蘭因受力而易產(chǎn)生偏口、錯(cuò)口，造成法蘭墊片密封的強(qiáng)度大。原法蘭也曾使用過(guò)軟鐵八角墊密封，但由于墊片補(bǔ)償性差，也常發(fā)生泄漏。本次裝置停工檢修后，法蘭采用了柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊密封，但在裝置壓力溫度波動(dòng)后仍發(fā)生了蒸汽泄漏。

2.2、墊片失效檢查

　　2.2.1、墊片表觀檢查

　　現(xiàn)場(chǎng)拆卸下來(lái)的墊片兩密封面破損嚴(yán)重，有的部位已失去柔性石墨材料的覆蓋，表面暴露出金屬波齒的齒尖，柔性石墨復(fù)合層已沿波谷弧線凹陷，內(nèi)徑邊緣有多處鼓泡，并沿直徑方向向外沿伸。墊片的金屬波齒結(jié)構(gòu)比較完整，沒(méi)發(fā)現(xiàn)被壓損的裂痕，內(nèi)外徑尺寸經(jīng)測(cè)量變化不大。

　　2.2.2、原墊片力學(xué)密封性能測(cè)試

　　按照GB/T19066.3-2003《柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊片技術(shù)條件》的規(guī)定，參照GB/T12622-2008《管法蘭墊片壓縮率、回彈率的試驗(yàn)方法》和GB/T12385-2008《管法蘭墊片密封性能試驗(yàn)方法》對(duì)原工藝生產(chǎn)的同批墊片進(jìn)行了壓縮回彈性能、密封性能測(cè)試。

　　(1) 原墊片壓縮回彈性能測(cè)試

　　原墊片壓縮回彈性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 原合墊片壓縮回彈性能測(cè)試結(jié)果

　　由表1可以看出，墊片的壓縮率遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求，表明墊片復(fù)合的石墨層較薄，降低了墊片可壓縮密封性能。

　　(2) 原墊片壓力循環(huán)密封性能試驗(yàn)

　　按照現(xiàn)場(chǎng)工況條件，墊片預(yù)緊壓力35MPa，介質(zhì)壓力：1.0MPa→4.5MPa→1.0MPa→4.5MPa→1.0MPa→4.5MPa→1.0MPa，進(jìn)行壓力循環(huán)密封試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2，圖1。

表2 原墊片最大密封泄漏率試驗(yàn)結(jié)果(ml/s)

圖1 壓力循環(huán)對(duì)密封泄漏率的影響

　　表2、圖1表明，墊片在第一次壓力循環(huán)中，密封泄漏率勉強(qiáng)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值一級(jí)，墊片表現(xiàn)了較弱的密封能力。第二、第三次壓力循環(huán)中，墊片密封力急劇下降，密封泄漏率快速上升，墊片已無(wú)法滿足密封要求。

2.3、失效原因分析

　　綜合分析裝置系統(tǒng)工況條件、失效墊片表觀情況及同批次墊片性能測(cè)試結(jié)果認(rèn)為，造成3.5MPa 邊界閥法蘭密封失效的主要原因是: 墊片石墨復(fù)合層存在缺陷，降低了柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊片可壓縮密封力，保證不了墊片的密封性能。

　　2.3.1、柔性石墨復(fù)合層厚度選配不合理

　　柔性石墨材料在墊片組合結(jié)構(gòu)中起著柔彈可壓縮和密封作用。墊片表觀檢查結(jié)果說(shuō)明，當(dāng)墊片石墨復(fù)合層的厚度和密實(shí)度不足時(shí)，墊片承壓后，表面石墨層斷裂并下陷入金屬波齒波谷內(nèi)，造成波齒尖突出石墨層而外露，失去密封作用，密封力下降，導(dǎo)致墊片密封失效。

　　2.3.2、柔性石墨復(fù)合層粘貼不牢

　　當(dāng)石墨層與金屬波齒粘貼不牢時(shí)，蒸汽易從復(fù)合層的間隙中滲透泄漏。雖有波齒波谷的阻隔作用，在系統(tǒng)溫度、壓力的波動(dòng)下，壓力蒸汽仍容易沿墊片內(nèi)徑邊緣向外沿伸，導(dǎo)致蒸汽泄漏，墊片表面許多鼓泡就是由此產(chǎn)生的。