革命性纏繞墊片(Change? )助力安全生產(chǎn)

文/王海峰

泄漏控制是安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，也是工廠高效、長周期運(yùn)行的基礎(chǔ)——越來越嚴(yán)苛的低排放法規(guī)正在逐步出臺(tái)。螺栓連接系統(tǒng)作為泄漏和排放的潛在來源，是重點(diǎn)整改對象，提升墊片技術(shù)是即刻見效的最經(jīng)濟(jì)的方式。此外，操作單元都在升級，要求墊片提供更好的密封和更長運(yùn)行周期，突破裝置運(yùn)行的瓶頸。目前墊片技術(shù)的短板很有改進(jìn)的必要。

目前用于苛刻工況的高性能墊片主要是纏繞墊和齒形墊，隨著生產(chǎn)裝置逐步延長在高溫、

高壓工況下的運(yùn)行周期，纏繞墊和齒形墊的缺點(diǎn)日益凸顯。一款名為“纏革（Change?）”的墊片，率先在半金屬墊片行業(yè)取得突破性進(jìn)展。“纏革”墊片兼具纏繞墊和齒形墊的特點(diǎn)，其卓越的回彈性可提供超常的密封效果。本文旨在通過概念解析、設(shè)計(jì)特點(diǎn)和性能參數(shù)來探討當(dāng)前墊片的局限性及纏革墊片的優(yōu)越性，并介紹這款革命性墊片的成功應(yīng)用案例。

當(dāng)前半金屬墊片技術(shù)進(jìn)展

所有墊片都具備各自的優(yōu)勢和劣勢。每個(gè)裝置必須根據(jù)法蘭形式、法蘭面狀態(tài)、溫度、壓力、介質(zhì)、危險(xiǎn)等級和運(yùn)行周期等工況來評估最合適的墊片。

半金屬墊片包括纏繞墊、齒形墊、波紋墊和金屬包覆墊。金屬包覆墊曾是最常用的設(shè)備墊片，但金屬包覆墊回彈性差，加之金屬面密封本就困難，這些共同導(dǎo)致了數(shù)不清的泄漏問題，金屬包覆墊逐漸被淘汰。波紋墊前期投入較低，但是有不少被吹爆（甚至在凹凸面法蘭）、芯板壓壞和泄漏的案例，并且波紋墊不能用于突面法蘭。

纏繞墊和齒形墊是歷史上應(yīng)用最成功的兩款半金屬墊片。纏繞墊是由福來西在 1912 年發(fā)明，其特色結(jié)構(gòu)是由預(yù)成型的“V”形薄鋼帶和柔性填料纏繞而成。齒形墊大概一個(gè)世紀(jì)以前誕生于德國，由表面呈鋸齒狀的金屬芯板覆上柔性貼面材料而成。

纏繞墊和齒形墊的劣勢

纏繞墊的局限性

纏繞墊因其纏繞結(jié)構(gòu)有著與生俱來的回彈性，但并非沒有缺點(diǎn)。ASME B16.20 推薦石墨纏繞墊要帶內(nèi)環(huán)，并且強(qiáng)制要求大尺寸/高壓等級的石墨纏繞墊與所有的 PTFE 纏繞墊必須帶內(nèi)環(huán)。即使帶上內(nèi)環(huán)和外環(huán)，大尺寸纏繞墊結(jié)構(gòu)依舊不穩(wěn)定，容易散架。

圖 1 典型的半金屬墊片截面圖

纏繞墊的另一個(gè)劣勢是其高達(dá) 69 MPa 的最小安裝應(yīng)力。為了獲取更高的緊密度和更低的泄漏量，安裝應(yīng)力最好能超過69 MPa。纏繞墊有低應(yīng)力型，但只能用于低壓工況。對于發(fā)生泄漏需要重新設(shè)計(jì)墊片的法蘭連接，在螺栓力不充足的情況下，達(dá)到纏繞墊所需最小安裝應(yīng)力十分困難。例如，墊片設(shè)計(jì)者需要經(jīng)常替換換熱器上易泄漏的金屬包覆墊。不幸的是，絕大部分換熱器法蘭的設(shè)計(jì)只需滿足鍋爐與壓力容器（B&PV）計(jì)算方法的最低所需螺栓力，該計(jì)算方法并沒有考慮分程隔板面積、泄漏率、緊密度或排放量。這類案例中，由于螺栓力無法滿足纏繞墊的最小安裝應(yīng)力（大于金屬包覆墊），金屬包覆墊無法升級成纏繞墊。

齒形墊的局限性

ASME B16.20 標(biāo)準(zhǔn)近年引入了齒形墊，將其定義為具有貼面的齒形金屬墊片（GMCL）。齒形墊比纏繞墊有更好的可操作性，齒形墊的優(yōu)勢在于低安裝應(yīng)力（17.2 MPa但實(shí)際操作最好按34.5 MPa），并且是一款低泄漏墊片。不幸的是，齒形墊本體是堅(jiān)固的金屬，回彈性并不好。齒形墊僅有的回彈來自貼面材料，對于墊片整體來說這個(gè)回彈量非常小。齒形墊有大量成功的應(yīng)用，但是當(dāng)法蘭存在熱交變或者換熱器兩側(cè)法蘭熱膨脹不同步時(shí)，齒形墊密封通常需要借助碟簧并且每次熱交變都需要復(fù)緊。

這些防漏措施增大了操作復(fù)雜性，工時(shí)費(fèi)用，乃至運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。關(guān)于操作復(fù)雜性，碟簧需要按照特定的方向安裝，每個(gè)墊圈需要特定載荷，這個(gè)載荷必須滿足墊片所需安裝應(yīng)力同時(shí)不能過載，這需要精準(zhǔn)的安裝（最好用液壓扳手），而其余更通用的安裝方式無法滿足精度要求。同時(shí)，也要考慮每次熱交變過程中復(fù)緊花費(fèi)的時(shí)間，這會(huì)顯著影響裝置開車進(jìn)度。最后一點(diǎn)，如果運(yùn)行過程中發(fā)生泄漏，熱緊操作人員將處于高危狀態(tài)。

纏革墊片

纏革墊片是一款技術(shù)領(lǐng)先的半金屬墊片。纏革墊片克服了現(xiàn)有墊片的局限性，進(jìn)一步降低了螺栓連接系統(tǒng)的泄漏和排放。

纏革墊片結(jié)合了傳統(tǒng)纏繞墊和齒形墊的特點(diǎn)，另一個(gè)提升在于其獨(dú)創(chuàng)升級的纏繞鋼帶，纏革墊片的鋼帶比傳統(tǒng)纏墊的厚5倍。全新的厚重型鋼帶模仿了齒形墊表面的鋸齒狀邊緣結(jié)構(gòu)。纏革墊片的鋼帶像纏繞墊一樣和填料纏繞結(jié)合，并通過針對性優(yōu)化的激光焊接工藝?yán)卫谓Y(jié)合。最終，像齒形墊一樣在表面覆上非金屬材料，纏革墊片就大功告成了。請參照圖 2 ～5。

纏革墊片的最小安裝應(yīng)力大概44 MPa，比金屬包覆墊和纏繞墊都小。經(jīng)評估，纏革墊片是一款高強(qiáng)度且回彈性極佳的半金屬墊片，甚至超過了 HT X-750 纏繞墊。

熱循環(huán)測試

熱循環(huán)對于靜密封來說是最苛刻的工況之一，法蘭連接隨著溫度交變而發(fā)生不同程度的形變，嚴(yán)重的泄漏隨之而來。眾所周知的殼牌熱循環(huán)測試，20多年來一直被用作墊片資格預(yù)審，殼牌熱循環(huán)測試可以很全面地評估墊片的有效回彈性能。

熱循環(huán)測試平臺(tái)（見圖 6 和圖 7）包括一對 ASME B16.5 標(biāo)準(zhǔn)的 NPS 4 / Class 300 突面法蘭，還包括工裝內(nèi)部的加熱元件。相比靠進(jìn)出爐子控制溫度，內(nèi)部加熱最大程度模擬了真實(shí)工況。

某知名煉油企業(yè)建議了一個(gè)包含 24 次熱循環(huán)的測試方案，用于對比纏革墊片和常用半金屬墊片的性能。該測試模擬了常規(guī)煉油廠在2次大修之間（大約 4年）的潛在溫度波動(dòng)，并且期間不對螺栓進(jìn)行復(fù)緊。清洗工裝，并以 2℃/ min的速率將工裝加熱到320℃，同時(shí)用氮?dú)獬鋲褐?.3 MPa。將工裝隔離開，放置1 h，記錄介質(zhì)壓力。然后將工裝自然冷卻至室溫，再進(jìn)行下一次熱循環(huán)。每次熱循環(huán)大約花費(fèi)24 h，24次熱循環(huán)測試不間斷進(jìn)行。

圖 2 纏革墊片剖面圖展現(xiàn)出：類似纏繞墊的纏繞結(jié)構(gòu)，類似齒形墊的貼面

圖 3 厚重型纏繞鋼帶，其邊緣倒角模仿齒形墊的鋸齒形狀

圖 4 貼面之下的纏革鋼帶結(jié)構(gòu)

圖 5 纏革墊片外圈上的激光焊點(diǎn)

圖 7 熱循環(huán)測試工裝照片

圖 8 熱循環(huán)測試結(jié)果—介質(zhì)壓力 VS 循環(huán)次數(shù)

24次熱循環(huán)后的最大允許壓降為0.1 MPa。 除波紋墊，所有的測試墊片都是按照福來西工藝標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，波紋墊通過經(jīng)銷商外采。墊片材料都采用 300 系列不銹鋼和石墨，纏繞墊樣品均帶內(nèi)外環(huán),測試結(jié)果見圖 8。

圖 8 可以看出，纏革墊片的表現(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其它所有墊片，纏革墊片測試過程中只損失了0.01 MPa的壓力。值得注意的是，常用的纏繞墊和齒形墊并不能通過測試。波紋墊的表現(xiàn)最差，部分原因是測試工裝采用了突面法蘭，波紋墊通常不建議用于突面法蘭。

成功應(yīng)用

盡管纏革墊片可以用于標(biāo)準(zhǔn)突面法蘭，其最理想的應(yīng)用位置在于換熱器。不僅僅是熱循環(huán)工況下，換熱器法蘭面溫度不均（例如多管程換熱器）帶來的挑戰(zhàn),同時(shí)墊片表面也會(huì)受到剪切，這源于殼程法蘭、管板和管程法蘭熱脹冷縮不同步。纏革墊片自 2012年引入，至今累計(jì)銷售超過10萬片，許多成功應(yīng)用已經(jīng)記錄在案。

表 1 為纏革墊片在近年來國內(nèi)外的部分應(yīng)用，涉及到石墨纏革墊片、高溫固力特纏革墊片對石墨纏繞墊片以及金屬包覆墊等的替換。

表 1 纏革墊片應(yīng)用業(yè)績

纏革墊片目前用于解決來自各行各業(yè)的密封問題，如化工、金屬加工、液化天然氣、設(shè)備廠、電力、造紙和煉油行業(yè)。第一片纏革墊片的應(yīng)用可以追溯到 2012年。到目前為止，大部分纏革墊片都用于其它墊片密封失效的工況。每一個(gè)成功應(yīng)用都在用事實(shí)證明纏革墊片在苛刻工況下的卓越密封性能。

結(jié)論

螺栓連接的可靠性經(jīng)常沒有受到應(yīng)有的重視，螺栓連接不到位可能導(dǎo)致裝置停車，甚至引發(fā)安全事故。將螺栓連接中的墊片升級，使其能承受計(jì)劃內(nèi)和非預(yù)期的熱交變，使用可立即提高裝置整體可靠性。這款全新的纏革墊片是專門為此而設(shè)計(jì)，其回彈性能勝過行業(yè)內(nèi)應(yīng)用最成功的墊片。纏革墊片為裝置進(jìn)一步減少泄漏和排放提供了新的機(jī)遇。基于測試結(jié)果和當(dāng)前實(shí)際應(yīng)用表現(xiàn)，纏革墊片帶來的提升包括：取消碟簧降低操作復(fù)雜性；減少螺栓復(fù)緊花費(fèi)的工時(shí)；無須熱緊，大大降低了操作風(fēng)險(xiǎn)；為工廠安全高效運(yùn)行提供重大助力。