高溫壓管道法蘭密封缺陷綜合治理策略研究及應用

楊寶紅

（中廣核研究院有限公司 反應堆工程實驗研究中心，廣東 深圳 518000）

電廠以及工業實驗裝置通過管道將各設備連成一體，其主要管道連接方式有焊接、黏接、螺紋連接及法蘭連接，其中法蘭連接是其中比例較大的連接方，如裝設孔板、設備帶法蘭、表面處理禁止焊接、輸送可燃流體管道等場合（需拆卸）等情況下應用比較普遍。本文通過高溫高壓管道法蘭密封缺陷綜合治理策略研究，應用此理念，通過對高溫高壓管道法蘭的缺陷處理進行細化，明確此類法蘭缺陷的具體處理方法，固化維修質量控制標準，并建立相應的預防性維修策略，提高了問題處理的效率，并且避免了一些技術方案不當造成的經濟損失或時間損失，此項研究對于同類工業高溫高壓設備管道法蘭密封問題的處理有較高的借鑒價值和推廣意義。

1 實驗裝置存在的問題以及密封原理

實驗裝置存在的問題：本文涉及的實驗裝置連接中，使用了大量的金屬透鏡墊和八角墊，其中穩壓器加熱棒透鏡墊密封（34處），人孔大直徑八角墊密封（1處），小尺寸八角墊（2處），安全閥密封（2處），總計39處；管道閥門連接法蘭八角墊密封（23處）；回路法蘭八角墊密封（75處），連同B支路計算，預計約總計200多處金屬透鏡墊和八角墊密封。此類密封在高溫高壓裝置中使用比較普遍，此實驗裝置此類法蘭的跑冒滴漏在2017年年底之前較為頻繁，處理方法之前尚未固化，維修成本較高，耗費時間較長，對實驗裝置的正常實驗生產影響較大。

2 高溫高壓法蘭跑冒滴漏問題分析

2.1 法蘭核心維修能力不足

此文涉及的實驗裝置為新建裝置，在設備運維方面同樣處于建設初期，高溫壓法蘭以往的拆裝過程中的檢查、研磨維護以及墊片更換方面欠缺成熟的質量控制標準，以及由于裝置運維方面存在密封面的核心維修能力的不足（如研磨、微弧焊方案以及專業技術人員、設備等），這些因素對法蘭密封整體可靠性降低有較大相關性。

2.2 從法蘭密封原理方面進行原因分析

管道法蘭連接形式是將法蘭（密封面）、緊固件（絕大多數是螺栓螺母）、密封墊片構成，管道法蘭的密封是通過這三個部件之間的協同作用實現的，這個結構中法蘭密封墊片是實現密封功能的核心部件。管道法蘭在螺栓緊固力矩的作用下，將法蘭密封面之間的密封墊片壓緊壓實。作用于法蘭密封面單位面積上的緊固力矩需要達到一定數值才可以將法蘭密封墊片壓縮變形以至于被壓實，法蘭密封面上存在的因為設備機械制造期間形成的微隙從而被填充滿，使管道法蘭建立起初始密封條件，以達到密封的目的，法蘭連接密封所需的壓緊應力被稱作密封墊片的密封比壓力，以y表示，單位為Mpa。在管道法蘭密封這種強制密封結構中，出現密封失效故障的原因主要有以下幾個方面：（1）法蘭密封壓緊力分布存在不均異常；（2）法蘭應力松弛和扭矩損失；（3）密封墊片與法蘭自身缺陷；（4）溫度變化。

2.3 高溫高壓工況對法蘭密封性能的影響

當管道系統介質壓力上升時，會使密封墊片的有效緊固力比預緊力小，但當管道系統介質的溫度升高時，螺栓緊固件的溫度上升卻會有所滯后，管道法蘭的溫度上升過快時，會促使熱脹將密封墊片進一步產生壓縮，密封墊片應力會有所增加。工業裝置管道介質如果溫度升降過快，會導致管道、法蘭、墊片、螺栓的溫差增大，它們之間的應力與應變不能夠在瞬時間完成互相的協調匹配，也會促使法蘭密封失效。因此，工業裝置在停運檢修階段，運行人員嚴格控制裝置回路溫度下降速率是非常有必要的。

2.4 金屬環形墊特性

此類金屬環形墊片的密封是圓周線密封結構，所以，對于安裝檢查期間必須做好墊片表面狀況檢查，要求新張的金屬環形墊片的金屬環以及法蘭本體環槽表面不得存在傷痕等缺陷，墊片表面應當光滑干凈無異常。金屬環形墊雖然首次安裝后密封效果較好，但是，由于墊片和法蘭面之間僅為線接觸，并且這種墊片的密封壓緊力矩有非常大，金屬環形墊與法蘭環槽接觸點之間的力通常很大(一般要大于12MPa)，尤其是在管道回路介質高溫的情況下，這會導致法蘭環槽表面產生變形以及裂紋等損傷，如果發生了墊片密封失效后，就會很難再次實現密封。

3 高溫高壓法蘭全面處理策略制定

針對以上高溫高壓管道金屬環墊法蘭密封失效的相關分析，對于此裝置此類問題，我們經過相關調研后，從法蘭結構三個組成部分法蘭、墊片、緊固件全方位著手制定改進措施，提升裝置自主維修核心能力，系統地解決了密封面維修難題，并制定與之相關的預防性維修措施，提升日常維護質量和水平，將潛在隱患扼殺在搖籃中，消于無形。

3.1 高溫壓法蘭密封面研磨核心能力提升

高溫壓法蘭金屬環形墊密封面常見缺陷有變形、腐蝕、汽蝕、電蝕、刮傷、劃痕、凹坑。因此，為了達到保證法蘭密封面的密封性能考慮，在設備安裝維修時，需要滿足一定程度的平整度和光潔度要求。當前階段現場對于此類法蘭的密封面修復一般分為兩種：一種是法蘭密封面缺陷故障較為輕微時（一般缺陷深度小于0.1mm），維修人員采用直接研磨修復；另一種是當法蘭密封面缺陷深度較大時，維修人員目前采用微弧焊修補然后打磨粗修最終通過精細研磨修復。密封面研磨工藝過程如下：將密封面清洗干凈，檢查研磨胎具與待修復密封面的配合情況，且胎具研磨面應光潔無銹蝕，不得有凸起、裂紋、毛刺等缺陷。（1）用P80砂紙對密封面進行粗研磨；（2）用60μ砂紙對密封面進行細研磨；（3）用30μ砂紙對密封面進行拋光；（4）對密封面做紅丹/蘭油試驗，印痕應均勻連續無斷點。如印痕不能均勻連續則需繼續研磨直至紅丹試驗合格。

3.2 高溫壓法蘭密封面微弧焊處理核心能力提升

此類法蘭本體環形槽密封面如果缺陷較大，不能直接通過研磨修復時，目前，經過處理工藝的開發，維修人員現場采用微弧焊焊接工藝對法蘭密封面進行補焊修補處理。如果法蘭密封面初始缺陷不是不大，維修人員通過診斷判斷就不需通過要微弧焊工藝修補環節，只是通過研磨修復就可以完成密封缺陷損傷的處理。微弧焊修補焊密封面的處理過程如下：（1）用打磨機將缺陷處的氧化皮及破損層金屬打磨干凈直至露出光亮金屬表面，然后將密封面清洗干凈。（2）選用同母材相同的焊絲，采用點焊方式補焊（注意工件溫升應小于80℃）。（3）焊接參數控制：（4）對補焊處進行粗磨；（5）對密封面進行研磨；（6）對密封面做紅丹/蘭油試驗。

3.3 回路法蘭預防性緊固以及相應改進策略

高溫壓裝置法蘭在經歷過熱態工況后，由于熱脹冷縮、振動等各種原因導致的法蘭密封降級，經過將近三年的實踐總結，我們從螺栓、墊片的保養選用檢查上，以及實驗操作的升降溫控制上：（1）對回路法蘭螺栓進行每次熱態后的全面力矩校核，對于發現松動的按照標準要求測量法蘭平行度等參數后按要求完成緊固。增加每次熱態后穩壓器底部機械密封的緊固，對于緊固后打壓無法通過的解體進行研磨后回裝處理。（2）升版裝置日常維修規程中對于螺栓除銹要求，現場巡視檢查各設備油漆涂刷有無脫落銹蝕等異常，發現異常后進行統一記錄并除銹補漆，拆卸后的法蘭螺栓螺母梳理螺紋后進行發黑保養處理。（3）梳理金屬環墊清單，采購鍍銀墊片，嚴控拆裝密封面檢查。（4）在每次起停裝置期間，降低升降溫速率對法蘭密封的影響。

3.4 法蘭檢修施工要求文件化標準化、推動QC隊伍建設

根據裝置現場運維情況的需求，目前，已編寫的相關程序有4個，機械相關設備安裝檢修指令單16個，主要涵蓋試驗段安裝、管道法蘭安裝、法蘭密封面研磨、穩壓器加熱棒拆裝檢修、計量泵檢修、回路串洗等方面。電氣相關表單5個，儀控相關17個。計劃今年將常用的指令單全部補充完善，編審批生效后作為標準文件備用，特殊的檢修活動根據現場檢修情況逐步積累。并且針對承包商合作單位負責施工的項目編寫了質量計劃，目前，已經全面推廣實施，確保每項工作都有設質量控制點，每個質量點都有授權人員進行把關。

為了規范裝置設備維修過程質量控制，目前，已牽頭成立了部門的QC授權人員質量控制團隊，主要負責裝置設備預防性、糾正性維修以及改造施工期間配合施工負責人進行設備隔離狀態驗證簽點、防異物檢查簽點、質量控制關鍵點(H/W)簽點以及安裝、維修、改造施工期間出現偏差、困難、新問題時提供指導和幫助。

QC人員在檢修活動過程中的分析確定裝置設備檢修修活動中需要進行質量控制的工藝環節，負責檢修過程的施工文件審查、對施工活動中關鍵的步驟工序設置質量控制點并且負責施工執行環節對檢修工藝及過程進行質量檢查控制、對設備缺陷的處理結果進行驗證簽收。

3.5 推動運維信息化平臺建設以及維修大綱搭建

為了從根本上提升實驗裝置可用性，固化幾年以來累積的維護經驗和良好實踐。2019年年初，設備負責部門開始著手進行運維信息化平臺的開發建設，目前，經過將近一年的開發測試系統平臺即將上線，此系統囊括裝置設備的信息在線更新維護、設備備件采購管理、技術問題的審批流轉以及預防性維修管理、設備故障信息的通報處理以及糾正性維修的管理與流轉，后續可以更加高效集約地對裝置設備進行監控管理，提高裝置設備運維管理水平。并且參考電廠統一做法，目前已創建裝置設備預防性維修大綱，根據設備特性與運維經驗對設備進行預防性的維護安排，從根本上徹底解決設備維護的不規律與漏洞，提升設備的可靠性。

4 綜合治理策略應用效果

高溫高壓管道法蘭密封缺陷全面處理策略研究及應用，在大熱工裝置上發揮了巨大作用，從早期每月多達4～5次的泄漏頻發到如今的徹底根治可以看出：高溫高壓管道法蘭密封維修管理是一個系統工程，運維負責主管部門只有從預防性維修大綱文件的編制、安裝/維修標準操作程序指令創建、人員執行技能的培訓、綜合性維修技術的開發應用以及相關信息系統的應用全面提升后，設備密封可靠性才能得到根本保障，基礎文件、人員技能、維修技術、理論分析、信息平臺等配套缺一不可。

5 結語

高溫高壓管道法蘭密封缺陷作為影響高溫壓實驗裝置正常運行的重要技術問題，本論文作者通過行業調研，以及結合實驗裝置的具體狀況，針對性地制定了高溫高壓管道法蘭密封缺陷全面處理策略，從法蘭維修的整體大綱搭建，研磨和微弧焊等維修技術方案制定，核心維修能力自主化培養，以及進行了施工流程的文件化規范化的升級，推動質量控制的QC隊伍建設和落地，全面提升了高溫高壓管道法蘭密封缺陷處理能力和維修質量，系統全面地改善和提升了此類密封的可靠性，減少了由于此類故障檢修帶來的停機或停運，降低了處理成本，提高了維修效率，對高溫高壓工業設備密封泄漏領域的問題的處理具有較大的參考價值和借鑒意義。