阀用柔性石墨金属波齿复合垫片密封失效分析及改进.pdf

FLUI D MACHI NERY Vo 1 ． 41， No ． 3， 2 01 3 文章编号 1 0 0 5 0 3 2 9 2 0 1 3 0 3 0 0 4 6 0 3 阀用柔性石墨金属波齿复合垫片密封 失效分析及改进 刘洁 。 王强 华东理工大学 ， 上海 2 0 0 2 3 7 摘要 对 3 ． 5 MP a 边界阀法兰密封柔性石墨金属波齿复合垫片密封的泄漏进行了密封失效分析， 并提出了改进 方案， 解决了垫片密封短期失效问题。 关键词 柔性石墨； 复合垫片； 密封 ； 失效分析 中图分类 号 T H 1 3 6 文献标识码 B d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 5 0 3 2 9 ． 2 0 1 3 ． 0 3 ． 0 1 0 F a il u r e An a l y s i s a n d I mp r o v e me n t o f M e t a l S k e l e t o n of F l e x i b l e Gr a p h i t e Co r r ug a t e d M e t al Ga s ke t s f o r Va l v e L I U J i e ， WA N G Q i a n g E a s t C h i n a U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， S h a n g h a i 2 0 0 2 3 7 ， C h i n a A b s t r a c t U n d e r g i v e n p r e s s u r e 3 ． 5 M P a c o n d i t i o n s ，m e t a l s k e l e t o n of fl e x i b l e g r a p h i t e c o r r u g a t e d m e t a l g a s k e t s o c c u r r e d t h e s e a l l e a k a g e i n t h e b o u n d a r y v a l v e ． T h e f a i l u r e a n a l y s i s a n d i mp r o v e me n t w a s p r o p o s e d， w h i c h s o l v e s t h e p r o e m o f s h o r t t e r m f a i l u r e o f t h e g a s k e t s e a l i n g ． Ke y wo r d s fl e x i b l e gra p h i t e；g a s k e t ；s e ali n g；f a i l u r e a n aly s i s 1 前言 某石化公司加氢裂化装置蒸汽管道系统 中， 3 ． 5 MP a 边界 阀法兰部位采用 了柔性石墨金属波 齿复合垫片密封 “J ， 垫片规格为 3 1 2 2 6 0 3 m m。当蒸汽压力从 1 ． 5 M P a 、 温度 2 0 0 o C上升至 压力 3 ． 2 M P a 、 温度 2 6 0 C时 ， 法 兰密封处发生蒸 汽介质泄漏 ， 导致密封短期失效 ， 随后 2次更换 了 同批次垫 片， 该 处均发生同样 状态的蒸 汽泄漏。 为 了避免类似事故发生 ， 确定能否继续使用该垫 片， 对柔性石墨金属波齿复合垫密封失效原 因进 行调查分析 ， 并对垫片的制造工艺进行改进。 2 密封失效情况及原 因分析 2 ． 1 系统工 况 加氢裂化装置是原料油在高温高压下与氢气 收稿 日期 2 0 1 3一 O 1 0 6 修稿 日期 2 0 1 3 0 1 2 8 进行裂解反应的装置。装置中 3 ． 5 M P a蒸汽管道 系统分支较多 ， 在高温状态下， 热膨胀量大 ， 常使 管道受力不均 ， 法兰处受到的扭矩作用较大 ， 尤其 在温度压力频繁波动情况下， 管道法兰因受力而 易产生偏 口、 错 口， 造成法兰垫片密封 的强度大。 原法兰也曾使用过软铁八角垫密封 ， 但 由于垫片 补偿性差， 也常发生泄漏。本次装置停工检修后， 法兰采用 了柔性石墨金属波齿复合垫密封 ， 但在 装置压力温度波动后仍发生了蒸汽泄漏。 2 ． 2 垫 片 失效检 查 2 ． 2 ． 1 垫片表观检查 现场拆卸下来 的垫片两密封面破损严重 ， 有 的部位已失去柔性石 墨材料的覆盖 ， 表面暴露出 金属波齿的齿尖 ， 柔性石墨复合层 已沿波谷弧线 凹陷 ， 内径边缘有多处鼓泡 ， 并沿直径方向向外沿 伸 。垫片的金属波齿结构 比较完整 ， 没发现被压 损 的裂痕 ， 内外径尺寸经测量变化不大。 2 0 1 3 年第4 1 卷第 3 期 流体机械 4 7 2 ． 2 ． 2 原垫片力学密封性能测试 按 照 G B ／ T 1 9 0 6 6 ． 3 0 0 3 柔性 石墨金属波 齿复 合 垫 片 技 术 条 件 的 规 定 ，参 照 G B ／ T 1 2 6 2 2 --2 0 0 8 管法 兰垫片压 缩率 、 回弹率 的试 验方法 和 G B ／ T 1 2 3 8 5 _2 0 0 8 管法兰垫片密封 性能试验方法 对原工艺生产的同批垫 片进行 了 压缩回弹性能 、 密封性能测试 。 1 原垫片压缩 回弹性能测试 原垫片压缩 回弹性能测试结果见表 1 。 表 1 原合垫片压缩回弹性能测试结果 检测指标 实测值 标准值 评定结果 压缩率 ％ 1 9 ． 6 3 5 1 O 不合格 回弹率 ％ 2 4 ． 5 ≥1 5 合格 由表 1可以看 出， 垫片的压缩率远低于标准 要求 ， 表明垫片复合的石墨层较薄 ， 降低 了垫片可 压缩密封性能。 2 原垫片压力循环密封性能试验 按照现场工况条件， 垫片预紧压力 3 5 MP a ， 介 质压力 1 ． 0 MP a 4 ． 5 MP a _ 1 。 0 MP a _ 4 ． 5 MP a 1 ． 0 M P a - - ． 5 MP a 一 1 ． 0 MP a ， 进 行压力循环密封 试验 ， 试验结果如表 2， 图 1 。 表 2 原垫片最大密封泄漏率试 验结果 m l ／ s 循环次数 实测值 标准值 评定结果 一 级 ≤ 二级 ≤ 第 一 次 0 ． 9 7l 0 一级合格 1 ．0 1 0一 1 ． 0 1 0 一 第二次 2 ． 9 8 1 O ≤1 ． 0 X 1 0 一 ≤1 ． 0 1 0 一 不合格 第三次 5 ． 1 2 1 0 一 ≤1 ． 0 1 0 ≤1 ． 0 1 0 一 不合格 介 质 压力 MP a 图 1 压力循环对密封泄漏率的影响 表 2 、 图 1表明 ， 垫片在第一次压力循环 中， 密封泄漏率勉强达到标准值一级， 垫片表现了较 弱的密封能力。第二 、 第三次压力循环 中， 垫片密 封力急剧下降 ， 密封泄漏率快速上升 ， 垫片已无法 满足密封要求 。 2 ． 3失效原 因分析 综合分析装置系统工况条件 、 失效垫 片表观 情况 及同批次垫 片性能 测试 结果认为 ， 造成3 ． 5 MP a边界阀法兰密封失效的主要原 因是 垫片石 墨复合层存在缺陷， 降低了柔性石墨金属波齿复 合垫片可压缩密封力 ， 保证不了垫片的密封性能。 2 ． 3 ． 1 柔性石墨复合层厚度选配不合理 柔性石墨材料在垫片组合结构中起着柔弹可 压缩和密封作用 J 。垫片表观检查结果说 明 ， 当垫片石墨复合层的厚度和密实度不足时， 垫片 承压后 ， 表面石 墨层断裂并 下陷入金属波齿波谷 内， 造 成波齿尖突 出石 墨层 而外 露 ， 失 去密封作 用 ， 密封力下降 ， 导致垫片密封失效。 2 ． 3 ． 2 柔性石墨复合层粘贴不牢 当石墨层与金属波 齿粘贴不牢 时， 蒸汽易从 复合层的间隙中渗透泄漏 。虽有波齿波谷的阻隔 作用 ， 在系统温度 、 压力 的波动下 ， 压力蒸汽仍容 易沿垫片内径边缘向外沿伸 ， 导致蒸汽泄漏 ， 垫片 表面许多鼓泡就是由此产生的。 3 改进方案与实施 通过失效原 因分析 ， 提 出了垫片制造技术改 进方案 驯。 3 ． 1 柔性石墨材料复合层厚度的优选 柔性石墨层复合工艺过 程 中， 应 注意以下 2 个方面 一方面在柔性石墨材料复合承压后， 金属 波齿尖不应突出石墨层而外露 ， 以避免 由此 降低 或破坏柔性石墨层 的密封作用。另一方面在柔性 石墨材料复合 时应注意填 实金属波齿结 构的波 谷 ， 以防止形成波谷的空隙， 而影 响垫片的压缩和 回弹性。基于以上考虑 ， 选择 了不 同厚度 的柔性 石墨板材复合后进行压缩 回弹性能试验 ， 试验结 果如表 3 。 表 3 不 同厚度 柔性石墨 复合层的金属波齿复合垫片 压缩回弹-陛能试验结果 石墨层厚度 m m 1 ． 0 1 ． 3 1 ． 5 1 ． 8 2 ． O 压缩率 ％ l 9 ． 6 2 3 ． 5 2 6 ． 3 2 8 ． 7 2 9 ． 9 回弹率 ％ 2 4 ． 5 2 1 ． 5 2 0 ． 8 1 5 ． 7 1 4 ． 3 根据 G B ／ T 1 9 0 6 6 ． 3 2 0 0 3 柔性 石墨金属波 齿复合垫片技术条件 的要求， 综合考虑， 垫片 FLUI D MACHI NERY Vo 1 ． 41， No ． 3， 2 01 3 加工 工 艺 最 终 选 定 垫 片 石 墨 复 合 层 厚 度 为 1 ． 5mm 。 3 ． 2 高温粘结与预压复合 为了提高柔性石墨材料层与金属波齿在高温 条件下的粘结牢度 ， 改用高温粘结剂。在柔性石 墨层粘贴后 ， 为促使柔性石墨材料充分地填实波 谷空隙， 提高垫片复合效果， 增强垫片承载能力和 回弹性能 ， 垫片加工工艺过程增加 了一道预压工 序 ， 预压应力为 1 0 MP a 。 3 ． 3 改进后的波齿复合垫片力学密封性能试验 依据原垫片进行压缩 回弹和密封性能测试试 验标准和条件， 对改进后工艺生产 的垫片产 品进 行了力学密封性能测试 ， 结果见表 4 。压力循环 密封试 验 按 照 现 场 工 况 条 件 ， 垫 片 预 紧 压 力 3 5 MP a ， 介质压力 1 ． 0 MP a 4 ． 5 MP a - I ． 0 MP a _ 4 ． 5 MP a - I ． 0 MP a - - ． 5 MP a 一 1 ． 0 MP a ， 试验结果 见表 5、 图 2 。 表 4 改进后垫片力学密封性能测试结果 检测指标 实测值 标准值 评定结果 压缩率 ％ 2 6 ． 3 3 51 0 ％ 合格 回弹率 ％ 2 0 ． 8 ≥1 5 合格 密封泄漏率 0 ．6 81 0一 ≤1 1 0 二级 达二级 优 ml ／ s 表 5 改进后垫片最大密封泄漏率试验结果 m l ／ s 循环次数 实测值 标准值 评定结果 一 级 ≤ 二级 ≤ 第 一 次 0 ． 5 61 0 二级合格 1 ．01 0一 1 ． 01 0一 第二次 0 ． 6 61 0 ≤I ． 0 1 0I j ≤1 ． 0 1 0一 二级合格 第三次 0 ． 6 8 1 0 ≤1 ． 0 1 0 ≤1 ． 0 1 0 一 二级合格 能 ， 达到并超 过了 G B ／ T 1 9 0 6 6 ． 3 _2 0 0 3 柔性 石 墨金属波齿复合垫片技术条件 的要求。 表 5 、 图 2压力循环密封试验结果表 明， 生产 工艺在保证垫片金属波齿结构的基础上 J ， 改进 了石墨层的复合技术 ， 进一步发挥 了柔性石墨材 料在波齿垫片结构 中的密封功能 ， 增强了波齿垫 片的组合密封性能 ， 从而提高了柔性石墨金属波 齿复合垫 片产 品在压力 波动条件下的密封可靠 性。 4 结语 通过 3 ． 5 MP a边界阀法兰用柔性石墨金属波 齿复合垫片密封失效 的分析， 对复合垫片制造加 工工艺技术进行了改进 ， 新工艺生产 的垫片产品 已用于加氢裂化装 置蒸汽管道 系统 ， 密封效果 良 好 ， 解决了 3 ． 5 MP a边界阀法兰密封短期 失效问 题 。 参考文献 [ 1 ] 吴树济． 新一代法兰垫片波齿复合垫片在石油 化工设备上的应用的新进展[ C ] ． 第七届石化设备 密封学术会议论文， 1 9 9 6 ． [ 2 ] 刘文启． 复合垫片的性能分析与应用[ J ] ． 阀门， 1 9 9 8 ， 3 3 8 4 1 ． [ 3 ] 梁文元， 蔡纪宁， 李双喜， 等． 挤压成型金属波纹管 机械密封结构的优化设计 [ J ] ． 流体机械 ， 2 0 1 0 ， 3 8 6 2 7 3 0 ． [ 4 ] 朱斌 ， 朱路， 林建华． 机械密封用碳石墨环现状与展 望[ J ] ． 流体机械 ， 2 0 1 2 ， 4 0 3 4 7 ． 5 0 ． [ 5 ] 陈庆，于洋，甘树坤， 等．柔性石墨金属波齿复合 垫片金属骨架结构及其力学性能研究[ J ] ． 润滑与 密封． 2 0 0 8 ， 1 1 ． [ 6 ] 王永． 管道补偿器的带压密封应用案例[ J ] ． 压力容 器 ， 2 0 1 2 ， 2 9 8 6 4 _ 6 8 ． [ 7 ] 赵培， 马伟， 余永健， 等． 多层波纹管动态刚度的影 响因素研究[ J ] ． 压力容器 ， 2 0 1 2 ， 2 9 1 1 5 - 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