高溫高壓監測設備法蘭密封形式改進

柳小康 趙國浩 周犢

摘? 要：針對高溫高壓監測設備法蘭頻繁泄漏蒸汽的問題，通過分析研究法蘭密封結構及密封副的情況，發現此處法蘭墊片設計選型不合理，不適用此法蘭結構及運行工況。通過對法蘭密封進行理論計算，重新設計一種尺寸結構和密封性能合適的金屬石墨組合齒形墊片，替代原金屬墊片。法蘭密封結構改進換型后，密封效果良好，徹底解決了蒸汽介質泄漏問題。

關鍵詞：法蘭密封;金屬齒形石墨組合墊片;泄漏;緊固力矩

概述

法蘭密封結構常見的失效形式是泄漏。泄漏除了和安裝工藝及法蘭密封面狀況有關外，最主要的原因在于墊片選型是否正確。墊片的基本性能通常從兩個方面來描述，一是其力學性能，包括壓縮回彈特性、蠕變和應力松弛特性等;二是其基本密封特性，它是與泄漏率相聯系的，是衡量墊片綜合性能的主要指標。針對不同的工況，應選取對應的適用墊片。

從2014年01月至2019年01月，某核電站機組GPV系統SN法蘭處出現漏水、漏汽的相關缺陷有35項，平均每兩個月會出現一起SN法蘭泄漏的故障。在大修期間對相關SN法蘭拆解，通過分析研究法蘭密封結構及密封副的情況，發現此處法蘭墊片設計選型不合理。通過理論計算，并重新設計選型，將原金屬墊片替換為金屬石墨組合齒形墊片，新墊片安裝后消除了法蘭泄漏故障。

1.故障簡介

1.1故障描述

2017-12-08，某機組GPV0481SN保溫殼內有蒸汽冒出。

2018-01-04，拆開保溫后，發現法蘭漏汽。

2018-04-04，日常使用PX票在線緊固處理，最終緊固力矩180N.m，緊固后仍未消漏，提通知單跟蹤。

大修期間，將此處法蘭拆開檢查，發現法蘭面及法蘭邊緣存在泄漏痕跡，但無沖蝕。

查詢同類設備檢修歷史（從2014年1月至2019年1月），某核電站各個機組GPV系統SN出現漏水、漏汽的相關通知單有35項，其中較為典型的缺陷為保溫層漏蒸汽或輕微漏汽。

1.2設備簡介

GPV0481SN是液位開關電容探頭，每臺機組同類設備有15個，清單如表1。

SN通過法蘭與現場豎直管道連接，安裝時保證水平角度≥5°，以便實現SN的監測功能。SN法蘭為全約束密封副設計，端蓋平面和管道法蘭平面組成一對法蘭，兩端均布設計有墊片凹槽，總槽深5.2mm，密封面帶水紋線;原設計墊片為金屬墊片，Ф81*Ф61*6.8mm，設計壓縮率23%;法蘭螺栓：M16*8顆，SN法蘭原設計時選取了彈性螺栓進行安裝，此類螺栓能承受較大交變載荷和沖擊載荷，能減小溫度及振動對螺栓強度的，上游文件要求安裝力矩：130N.m。SN法蘭結構見圖1。

2.原因分析

2.1法蘭密封面缺陷：

如果法蘭密封面本身存在如凹坑、壓痕、劃痕、擦傷、毛刺、裂紋、腐蝕等損傷性缺陷，或者表面不潔凈，殘留外來污染物，都會影響墊片的密封能力。密封面缺陷允許深度與所使用的墊片類型有關，硬的墊片不容易在局部缺陷處和密封面貼合，對局部缺陷比軟墊片更。此處原設計為較硬的金屬墊片，若密封面存在無法貼合的缺陷，則必然造成法蘭泄漏。

2.2密封墊片選型不合理：

高溫工況下，墊片回彈性能會下降，如果墊片回彈量小到不足以補償介質壓力、溫度和法蘭附件載荷引起的密封面的分離量時，將導致連接系統泄漏率的增大，這是引起高溫螺栓連接法蘭泄漏的主要原因之。日常運行期間發生泄漏的法蘭進行加載力矩緊固后，泄漏情況有好轉，證明墊片上的應力在運行期間有所減小，墊片無法滿足實際運行工況。

結合以上原因分析，可以得出此SN法蘭原始設計的密封形式不合理，所選墊片為金屬墊片，對法蘭密封面缺陷較為敏感，無法滿足溫度變化下有交變載荷的運行工況。

3.法蘭密封形式改進

3.1法蘭密封力核算：

日常期間法蘭發生泄漏時進行緊固消漏的最大緊固力加載至180N.m，泄漏仍未消除，說明密封面已經無法實現密封了，如果依靠提高緊固力矩來消漏，則可能導致法蘭、螺栓或墊片損壞，還對與法蘭連接的管道和設備造成了附件高應力。上游文件要求力矩130N.m，該處法蘭的最高工作壓力6.42MPa，最高工作溫度301℃，根據《法蘭螺栓載荷計算書》核算的結果如下：

1）對于金屬石墨組合墊片，法蘭墊片所需的最小墊片應力為82.8MPa，最大墊片應力為207MPa;

2）在130N.m力矩下，法蘭墊片的應力為146MPa;

3）按照緊密度等級來評價，各等級下的緊固力矩分別為：

密封緊密度（Tp） T1 T2 T3 T4 T5

螺栓緊固力矩 29.12475505 45.46270109 78.06118915 143.1037239 272.8806423

緊密度代表了法蘭密封的泄漏水平，上游文件中的130N.m力矩已經達到接近T4級的水平，滿足法蘭密封的要求。緊密度等級的行業劃分見圖2。

3.2法蘭墊片改進方案：

此處法蘭墊片需要承受高溫高壓介質，而且從法蘭密封應力核算結果分析，此處安裝的法蘭墊片需要承受較高的墊片應力，因此選取金屬齒形石墨組合墊片是較好的方案。齒形組合墊片的主體為金屬齒形骨架和柔性石墨，兩者之間覆有一層膠黏劑。其中柔性石墨使墊片具有較好的壓縮回彈性能，金屬骨架為承受高壓提供了基礎，而金屬齒尖形成了多條線密封，提高了密封比壓，使之在極端條件下也具有優異的密封性能。此墊片的結構見圖3。

現場改進前后墊片見圖4、圖5。

關于墊片尺寸的設計，需要考慮壓縮率，現場進行了安裝試驗。

2019年2月16日，聯系墊片廠家根據密封面實際尺寸并參考原金屬墊片尺寸，測繪并定制了金屬石墨組合齒形墊片。

2019年2月21日，試裝墊片到貨，材質：316L+核級石墨，實測尺寸：Ф61.00*Ф81.00*7.20mm?，F場試裝按照180N.m力矩進行安裝，安裝后檢查測量法蘭平行度0.08mm，兩法蘭面最大間隙1.33mm，最小間隙1.25mm;拆下試裝墊片，測量壓縮后的墊片厚度為6.30mm，相對試裝前被壓縮了0.90mm。如果按照130N.m緊固，墊片壓縮量將<0.90mm。

按照現場試裝情況，重新定制試裝的金屬石墨組合齒形墊片，將墊片厚度減小至6.10（5.2+0.9）mm，確保安裝后兩法蘭面間隙接近0mm。而且也有相關研究表明，采用不銹鋼骨架，齒距在3-5mm，柔性石墨覆層厚度在1.3mm左右的復合墊片具有較好的力學。因此，最終設計的墊片尺寸為Ф61.00*Ф81.00*6.10mm。

3.3現場改進情況：

大修涉及拆裝的GPV系統SN法蘭共有6個，分別為：GPV0081/0381/1081/2081/0082/0481SN。此6個SN法蘭均使用了新設計的金屬齒形石墨組合墊片，現場完成SN法蘭安裝后，測量法蘭平行度及間距數據見表2。

從以上緊固后的平行度和間隙來看，整個法蘭密封組件的尺寸配合非常好，墊片的厚度設計合理，緊固后留有一定間隙，可以保證螺栓載荷全部作用到了墊片上，密封應力可以得到保證。

3.4方案實施收益：

1）工藝質量可控性提升：和原設計的金屬墊片相比，此新型墊片可以降低法蘭安裝精度要求，石墨的補償性也對密封面微小間隙實現良好補償，同樣的法蘭，使用改進后墊片安裝將大大提高法蘭密封的可靠性;

2）減少日常期間帶壓堵漏工作：較以往金屬墊片頻繁泄漏的情況，改進后墊片可消除日常期間的泄漏問題，無需增加帶壓堵漏的維修成本，也避免了高風險作業，此設備日常無法隔離，日常發現泄漏沒有更換的機會只有高溫高壓情況下帶壓堵漏或者停機處理;

3）原墊片是美國進口備件價格昂貴（RMB4557.81/個），新墊片為國產化墊片價格較低（RMB150/個），可以顯著減少后續備件采購成本。

4.結論

決定螺栓連接法蘭密封有三個關鍵因素：零件質量、法蘭設計和安裝。本次從現場故障情況進行分析判斷，發現了法蘭泄漏的原因在于其設計存在不合理的情況。最終重新設計了結構尺寸合適和密封性能優良的金屬齒形石墨組合墊片，消除了法蘭泄漏的故障。

煉油、化工行業的法蘭設計中，有使用金屬石墨組合齒形墊片的實例，但此類墊片未在機械行業全面推廣應用。此次技術改進中所設計的是特殊厚度尺寸的金屬石墨組合齒形墊片，且安裝在特殊結構的法蘭密封副內，拓展了此類墊片的應用范圍。此改進方案也為同類結構和運行參數的法蘭密封墊片改進換型提供了思路和方法。

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作者簡介：

柳小康（1993.3-），男，中廣核核電運營有限公司大修中心靜止機械分部準備主管工程師，主要從事管道、閥門維修及故障處理工作;

趙國浩（1988.8-），男，中廣核核電運營有限公司大修中心靜止機械分部陽江項目隊隊長，主要從事管道、閥門維修及故障處理工作;

周犢（1979.6-），男，中廣核核電運營有限公司大修中心靜止機械分部主任工程師，主要從事管道、閥門維修及故障處理工作。