特殊環(huán)境下壓力容器的密封技術應用

陳文松沈允生

中藍晨光化工研究設計院有限公司 成都 610041 中國船舶科學研究中心 無錫 214082

特殊環(huán)境下壓力容器的密封技術應用

陳文松*沈允生

中藍晨光化工研究設計院有限公司 成都 610041 中國船舶科學研究中心 無錫 214082

分析法蘭、螺栓、墊片連接的壓力容器密封失效機理，針對大深度海洋工程承壓設備和高溫高壓下大直徑壓力容器防止泄漏提出了對策。供從事相關工程技術人員參考。

密封技術 特殊環(huán)境 壓力容器

壓力容器的密封技術具有兩個特點：應用的普遍性和對國家財產、人身生命安全的重要性。

密封技術是流體介質輸送、儲存、換熱、反應等過程中，防止其泄漏的必要手段和方法。廣泛應用于生活、生產、科研活動中，涉及各行各業(yè)。例如：航天工程、海洋工程、化學工程、機械工程、醫(yī)藥衛(wèi)生設備、環(huán)保設備、公路鐵路運輸罐裝車、石油工業(yè)、船舶工業(yè)等。

密封的重要性，不僅僅是泄漏會造成流體介質的損失和生產過程的停頓，更重要的是，對于在某些特殊環(huán)境中使用的設備和容器，一旦發(fā)生泄漏，將會造成生態(tài)環(huán)境破壞，海洋污染，甚至危及國家財產和人身生命安全。特別是壓力容器運行在有高溫、高壓、易燃易爆、危害介質、粉塵工況下，一旦泄漏，后果不堪設想。因此，本文就壓力容器在海洋工程和高溫、高壓下法蘭連接的壓力容器，通過對這些特殊環(huán)境下的密封失效的分析，推薦防止泄漏方式的選用建議，以供相關工程技術人員參考。

1 常見密封失效分析

GB 150推薦的壓力容器密封形式[1]，主要使用于承受流體靜壓力及墊片壓緊力作用的法蘭、螺栓、墊片連接形式。

一般常用的普通密封結構主要有兩類：一類是靠螺栓預緊力使密封元件預變形，當容器在工作時，其壓力會使密封元件慢慢失去原有壓縮量。但仍然控制在可承受的范圍，避免泄漏；另一類是自密封結構，利用一部份高壓腔壓力，使可移動元件保持或增加密封元件的壓縮量，不致于泄漏。

盡管設計時在法蘭的結構尺寸、材料、密封面形式、墊片材料，以及螺栓的材料、規(guī)格、數(shù)量上都作了詳細的考慮，但是，有些容器在特殊環(huán)境中使用時，還是會產生泄漏。

產生密封失效而泄漏的原因很復雜，主要原因有以下幾方面：

(1)法蘭及密封面機械加工造成的密封失效。因為法蘭及密封面的機械加工，總會產生一些不平度和表面粗糙度的選擇不當，使法蘭、密封面和墊片配合面之間產生間隙，流體介質從存在壓差的高壓側向低壓側滲漏。

(2)在兩個壓力差之間通道上的密封材料或密封形式選擇不當，密封件不能起到阻礙流體介質滲透的作用而密封失效。

(3)由于在高溫、高壓或低溫環(huán)境下，密封材料功能性破壞，或者是大直徑法蘭產生超過預計變形而使密封墊片崩散失效。

一般情況下，容器腔室兩邊的壓力差越高，密封要求也越高。所以，在大深度海洋工程中的容器和高壓設備，以及高溫、高壓大直徑的石油化工裝備上，常會發(fā)生密封失效而泄漏。

2 防止密封失效的對策

密封失效的基本原因已經清楚，那么，如何來消除或減小密封面上的間隙而防止泄漏呢？可以從以下幾個方面考慮。

(1)封住連接面間隙：增加法蘭螺栓預緊力，減少法蘭密封面形狀、尺寸偏差。針對部分密封結構形式，對密封面加工精度應提高要求。封住間隙，隔離或切斷高壓側流體介質泄漏。

(2)增加泄漏通道阻力：特別是在海洋工程深海模擬壓力筒設備中，為了考核各種水下設備和電纜、光纜，往往會有許多導纜通過水密接頭時，在高壓下會產生相對滑移和跑竄?？梢杂锰厥獾墓ぱb夾具對其壓差調整，以增加阻力，達到減少甚至消除滑移和泄漏的目的。

(3)采用壓縮性能和回彈性能好、永久變形小、又能滿足高壓的密封墊片。

(4)采用特殊型式的自補償密封墊片。例如，雙金屬自密封波齒復合墊片。

3特殊環(huán)境中壓力容器密封的應用

3.1 大深度海洋工程設備上的密封

隨著海洋開發(fā)在世界范圍內空前的活躍，在近海石油、天然氣開采，深海海洋資源的探測以及深海生物工程的研發(fā)，都離不開承受壓力的容器。那么這些容器上的開孔管接以及封蓋的密封又有什么特殊性呢？

首先是克服強大的水壓力，隨著水深，壓力也越大，當容器設備沉入深海時，對其密封要求也越苛刻。

其次是水下工程中不能采用常規(guī)的壓力容器法蘭、螺栓、墊片密封形式，它必須適應重量相對輕巧，體積較小，凸出部件較小的設計原則，特別是重量非常敏感，因為提供上浮時的浮力材料可少用，從海底攜帶的有效載荷將增加[2,3]。

這里介紹兩種容器的密封。

(1)大深度載人潛水器載人艙：球形載人艙是深潛器中的核心部件，它上面有許多開孔和電纜，管道的貫穿件，如果在水下7000m泄漏，后果不堪設想。尤其是潛航員的出入艙口，開孔直徑大，密封要求高，球形上開孔沒法用法蘭，全靠預緊密封有難度。通過實踐，證明目前采用的結構形式是合理且可靠的。出入人孔的密封結構由艙口蓋、O型密封圈、加強圍欄組成，密封面為錐面密封。具體結構見圖1。

密封原理：密封圈溝槽在艙口蓋圓錐面上部，初始密封由密封圈完成，預緊力由艙口蓋縮緊機構提供。在水下隨著深度增大，壓力也隨之增加,艙口蓋和圍欄接合面的貼合越來越緊，形成一個金屬面之間的密封面，籍此完成大深度的密封。密封圈必要時可采用雙O型圈結構，也可采用密

圖1 出入人孔的密封結構

封效果更好的C型圈、B型圈結構等。該結構的優(yōu)點是結構簡單，艙口蓋開啟方便，可內外操作。其缺點是該密封面的加工精度和艙口蓋裝配到加強圍欄上的精度特別高。為保證圍欄與艙口蓋間的金屬密封面結構的可靠性，也可增加一些特殊結構要求。

(2)耐壓罐：水下裝備的承壓設備中，有直徑大小不等，長短不一的圓柱體耐壓罐，由中間的柱筒體和兩端的封頭組成。一般這種耐壓罐常常要打開，對罐內布置的儀器設備進行安裝和維護。所以一端的封頭和筒體可以焊死，另一端的封頭便要刻意沿筒體線方向移開，成為可拆式封頭，可拆式封頭上還有許多電器接插件的開孔。由于傳統(tǒng)的法蘭、螺栓連接形式，不適宜于耐壓罐上筒體與封頭和法蘭焊接。它要求重量輕，不得有焊接變形。所以，采用機加工，高精度部件的組裝結構，更為合理、適用。通常采用的耐壓罐密封結構(現(xiàn)有局部結構改進優(yōu)化)見圖2。

圖2 耐壓罐的密封結構

該密封結構采用微法蘭和可拆卸的兩個微法蘭1和2相組合的結構形式。微法蘭、殼體與封頭之間通過法蘭1、法蘭2和環(huán)之間的配合，利用螺栓連接固定，由此實現(xiàn)可卸可裝功能。便于打開封頭對耐壓罐內的設備、儀器進行維護。密封是通過安裝在密封槽內的兩個O型密封圈實現(xiàn)的，該密封槽是由法蘭1、法蘭2和環(huán)實現(xiàn)一個自補償式密封系統(tǒng)。在水下高壓外壓環(huán)境下，密封槽兩端均受壓力，兩個密封圈受壓后同時向槽中央擠壓，由于微法蘭1、2與殼體、封頭是錐面過渡，隨著外壓力的增大，密封圈壓縮量也隨之增加，密封面便更好地貼合，達到高壓密封的目的。

該結構的特點：密封的所有元件都分別用機械加工而成，沒有焊接件；裝卸和維護方便；無突出的法蘭和螺栓零件，外形和重量都比法蘭螺栓連接形式輕巧；在深海壓力作用下具有良好的密封性能。

3.2 大直徑壓力容器法蘭、螺栓連接的密封

大型石化裝置的化工容器，其直徑通常都在1～4m之間，這些容器常在高溫和高壓下運行。運行中會出現(xiàn)密封失效，介質泄漏，不僅直接造成了容器的功能性喪失，而且還是安全生產的極大隱患。如何解決泄漏問題，許多業(yè)內人士經過各方面的努力，在一定范圍內取得了進展，并在工程應用中已有成功實例，在此作一介紹。

3.2.1 大直徑壓力容器法蘭、螺栓連接的特點[4，5，6]

(1)由于容器直徑較大，在制造加工過程中，法蘭密封面的精度不易保證，會出現(xiàn)粗糙度和形位公差的不確定度增大，影響密封。

(2)法蘭的剛度設計因目前的剛度計算沒有可靠的計算手段，因此法蘭剛度在滿足強度前提下也會出現(xiàn)不足。因為在高溫、高壓下運行，各種載荷的聯(lián)合作用，法蘭密封面容易產生扭曲和變形，影響密封。

(3)由于法蘭直徑較大，螺栓數(shù)量多，在預緊狀態(tài)下，很難保證螺栓給予的預緊密封面都有良好狀態(tài)，當在操作工況下，便會在薄弱方向首先使密封失效。

(4)由于法蘭密封面的凹凸不平度，影響了墊片比壓分布的不均勻性，當某處墊片的壓縮量小于密封所需的反彈量時，泄漏從此發(fā)生。

綜合性地解決上述四個問題，便能較好地解決大直徑高溫、高壓下法蘭螺栓連接的密封失效。

3.2.2 大直徑壓力容器法蘭、螺栓連接密封技術

根據上節(jié)分析，需從四個方面克服泄漏產生的原因，例如，提高加工中的精度，加大法蘭在高溫、高壓下抗變形能力，留有足夠的剛度余量；采用良好的、均勻的預緊方法，這些都是有效的[7，8]。但是，工程上總存在局限性，加工裝配總有誤差，那么，這些不可避免的不利因素如何來彌補呢？那就要從墊片的材料、性能、形式上加以考慮。能否有一種墊片，能夠滿足操作工況下，自動調節(jié)密封面各點比壓，從而使其達到預期的密封呢？答案是有的。目前，已開發(fā)出一種叫做“雙金屬自密封波齒復合墊片”[9]。這種墊片根據壓力自緊密封原理設計制造。它利用密封介質的壓力來提高墊片的密封比壓，使墊片在兩個密封面之間保持良好的密封性能。具體結構見圖3。

圖3 雙金屬自密封波齒復合墊片結構

結構特點：墊片由上下表面、柔性石墨和金屬骨架組成。金屬骨架由兩片金屬迭合后在外周邊緣熔合而成，上下表面設有圓弧形同心槽，且相互錯開，金屬骨架上復一層適當厚度的柔性石墨材料。整個墊片呈波齒狀。

該墊片的密封原理：一般的預緊式墊片處于操作狀態(tài)時，當容器內部壓力升高，預緊狀態(tài)下的部分墊片壓縮量開始減小，如果比壓減少到一定程度，將會泄漏。而該墊片在介質壓力升高后，介質會通過間隙進入兩金屬間，并在上、下金屬片之間向上和向下擴張，介質壓力通過上、下金屬片給墊片的上下表面施壓，也即給法蘭的上、下密封面(接觸面)上施壓，從而提高了操作工況下墊片密封面的比壓，保證墊片具有良好密封性能。

該密封墊片的優(yōu)點：它比纏繞式金屬墊片、柔性石墨金屬波齒復合墊片有更好的密封性、可靠性和安全性。安裝方便，適應性廣。尤其對壓力、溫度范圍較高且有波動的大直徑容器，有更優(yōu)越的密封性能[10]。

大型容器、換熱器由于工作環(huán)境特殊，傳統(tǒng)密封技術已不能滿足要求。目前近十余家石化企業(yè)裝置上成功應用了該密封墊[4，11]。已被應用到最大直徑達3300mm[4]，最大壓力達42MPa，最低/最高溫度達-196℃/600℃的場合[10]。它能對法蘭本身帶來的制造缺陷和操作工況下產生的變形有較好的補償能力，而且和傳統(tǒng)的“預緊密封”完全不同。采用自緊密封，這無疑是提高高壓、高溫下工作且有波動的大直徑容器法蘭密封的有效措施。雙金屬自密封波齒復合墊目前根據各工程項目的實際使用經驗，有進一步的結構優(yōu)化改進。

4 結語

壓力容器的密封技術隨著工業(yè)化的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了一些特殊環(huán)境下工作的容器。本文主要就大深度海洋工程用容器和大直徑法蘭、螺栓連接容器在高溫、高壓且有波動下的密封問題進行討論，從中提出了改進措施，供相關人員參考。

眾所周知，密封技術非常重要。但是，也必須從容器的功能性，運行的安全性和經濟性考慮。而不是就事論事，無休止地加大制造成本。目前有一種設計理念還在醞釀，即用允許泄漏量來綜合評定法蘭、螺栓、墊片三者之間的最佳組合。

1 GB 150-2011,壓力容器[S].

2 中國船級社. 潛水系統(tǒng)和潛水器入級與建造規(guī)范[M].北京：人民交通出版社，1996.

3 朱繼懋. 潛水器設計 [M].上海：上海交通大學出版社，1994.

4 高俊峰,吳樹濟. 壓力容器用大直徑法蘭連接密封墊片的選用[J].壓力容器,2012,29(10)：67- 70.

5 邢桂萍,羅廣輝,鄭新兵. 法蘭密封泄漏的原因分析[J].石油化工設備技術, 2008,29(2)：63- 66.

6 許 偉. 脫硫反應器大法蘭泄漏原因分析與改進[J].石油化工設計,2012,29(02)：62 64.

7 喻健良,張忠華,閆興清等. 高溫下螺栓-法蘭-墊片系統(tǒng)密封性能研究[J].壓力容器,2012,29(5).

8 孫 雷. 高溫大口徑法蘭密封設計方法研究[D].上海：中國石油大學，2008.

9 吳樹濟. 新型雙金屬自密封波齒復合墊片的研制開發(fā)[J].化工機械, 2012,39(04).

10 吳樹濟, 高俊峰. 新型雙金屬自密封波齒復合墊片的結構及其性能特點[J].石油化工設備技術, 2012,33(05):57- 59.

11 吳樹濟,楊樹人,黃 鑫等. 新型雙金屬自密封波齒復合墊片的應用[J].石油化工設計, 2012,29(02):34 -36.

2017-03-21)

*陳文松：高級工程師。1992畢業(yè)于華東化工學院流體機械專業(yè)，從事壓力容器設計工作、設備監(jiān)造、現(xiàn)場施工安裝指導20余年。 聯(lián)系電話：(028)85582599，E-mail：chws0326@163.com。