纏繞式墊片的制造質量問題和失效案例分析

孔 建，何 松，詹 玲

（合肥通用機械研究院，安徽合肥 230031）

1 前言

隨著我國海洋資源開發(fā)能力的提升，現(xiàn)代煤化工烯烴轉化技術的廣泛應用以及石油化工煉制產(chǎn)品等技術的發(fā)展［1］，海水、油氣、礦產(chǎn)和生物資源等管道運輸工程逐年增多。無論是金屬管道，還是復合管道在工程中都要大量使用纏繞式墊片。纏繞式墊片是壓力管道連接中重要的密封組件之一，目前國內生產(chǎn)纏繞式墊片的廠家多達500家左右［2］。為防止安全隱患的發(fā)生、重大事故的出現(xiàn)，確保壓力管道的使用安全，國家制訂了相應的纏繞式墊片技術標準［3］，要求各有關生產(chǎn)企業(yè)必須按照國家技術監(jiān)督局的要求進行檢測，并取得頒發(fā)的制造許可證。筆者多年來一直從事密封件產(chǎn)品制造許可證檢測工作，在檢測工作中發(fā)現(xiàn)纏繞式墊片生產(chǎn)和應用中存在一些質量問題和失效案例，現(xiàn)將有關問題和失效案例提出并加以分析，以引起生產(chǎn)企業(yè)和用戶的重視。

2 纏繞式墊片的結構型式與使用范圍

2.1 型式與分類

纏繞式墊片一般由成型鋼帶和非金屬材料帶在設備上按照一定的工藝條件和尺寸等要求纏繞而成，因此具有多道金屬邊與密封面接觸，有“迷宮”密封結構的特點。纏繞式墊片按產(chǎn)品品種類型可分為基本型金屬纏繞墊片和帶加強環(huán)型金屬纏繞墊片兩類。按產(chǎn)品結構型式又可分為基本型金屬纏繞墊片（A型）、帶內環(huán)型金屬纏繞墊片（B型）、帶外環(huán)型金屬纏繞墊片（C型）和帶內外環(huán)型金屬纏繞墊片（D型）4種［3］。同時纏繞式墊片又可根據(jù)內環(huán)、金屬帶、填充帶和定位環(huán)材料的不同，分為不同材料的產(chǎn)品，如柔性石墨金屬纏繞墊片、聚四氟乙烯金屬纏繞墊片等。

2.2 選用原則和使用范圍

由于纏繞式墊片對密封面光潔度要求不高，所以經(jīng)常應用于不同的法蘭密封面，其連接型式見表1。

表1 纏繞式墊片適用的法蘭密封面型式

通常在選擇纏繞墊片種類時，首先要明確墊片的使用工況條件，即工作場合接觸介質的物理化學性質：溫度、腐蝕性、管道內的壓力及波動、安全要求等情況，并擬定需要達到的密封等級，然后按照法蘭密封面的結構形式、制造材料的強度和剛度，確定需要施加的預緊力值。如對于質軟的不銹鋼法蘭面來說，應提高預緊力來達到要求。在這些基本工況條件分析的基礎上，根據(jù)不同類型的纏繞式墊片的密封特性，確定其結構型式，如對于一些工作壓力較高的情況，則宜選用密封面相對較寬的纏繞式墊片；對于高溫工作的場合，可以通過調整填充帶材料的類別來滿足要求［4］；由于纏繞式墊片具有“彈簧”般的結構（M或V型），所以該種墊片在所有金屬及軟填料墊片中具有最好的彈性，更加適用于溫度和壓力變化較為復雜和缺乏規(guī)律性的工作場合；此外還應綜合考慮墊片結構安裝的難易程度，以及采用不同型式墊片的經(jīng)濟性等。

3 常見制造質量問題及其分析

3.1 常見質量問題

生產(chǎn)設備和制造工藝是決定纏繞式墊片產(chǎn)品質量的重要因素。目前國內纏繞式墊片的眾多生產(chǎn)廠家制造設備多種多樣，設備結構和自動化程度也各不相同。自動化程度高的制造設備可完成添環(huán)、纏繞、焊接等纏繞式墊片全自動化的制造工藝生產(chǎn)過程，大大提高了產(chǎn)品的質量水平和生產(chǎn)效率，但大多數(shù)纏繞式墊片生產(chǎn)企業(yè)還是以半自動化或手動的生產(chǎn)設備為主。由于設備精度較低，制造工藝落后，操作水平不高，因而制造的產(chǎn)品常出現(xiàn)不同情況的質量問題。

在多年的產(chǎn)品檢測和應用調查中發(fā)現(xiàn)，纏繞式墊片經(jīng)常出現(xiàn)的質量問題主要有以下幾種：

（1）鋼帶冒出和皺褶。鋼帶冒出是指纏繞的金屬帶高于填充帶，見圖1；皺褶是指金屬帶由于褶皺，未能與填充帶緊密的纏繞在一起，見圖2。以上這2種情況都會對密封面造成損傷，使墊片本身的密封性能下降，因此在加工纏繞墊片時，保證墊片內環(huán)或內模具在纏繞時始終保持水平，可以有效預防上述問題的發(fā)生。

圖1 鋼帶嚴重冒出

圖2 鋼帶嚴重褶皺

（2）壓痕。在搬運過程中，由于搬運不當有時會對密封面造成嚴重的壓痕，見圖3。明顯的壓痕會破壞密封面，造成使用泄漏。

圖3 壓痕

（3）傷痕和劃痕。在運轉或安裝時，由于操作不當有時會出現(xiàn)密封面被尖銳物品劃傷所造成的貫穿性傷痕，見圖4；在生產(chǎn)、搬運和安裝過程中由于搬運不當有時會使密封面出現(xiàn)劃痕，一般輕微劃痕不會影響密封性能，但橫向貫穿性傷痕由于損傷的密封面中構成的泄漏通道無法彌補，等于變相減少了密封面寬度，所以當介質壓力增大時，介質會沿著傷痕處向外沖擊而造成泄漏。

圖4 貫穿性傷痕

（4）內圈鋼帶過多。纏繞式墊片的密封性能除了需要金屬帶提供強度外，還需要填充帶提供補償，若內圈鋼帶過多，則填充帶必然減少，金屬帶之間無法補償空隙，從而造成皺褶和空洞的出現(xiàn)，見圖5。GB/T 4622.3-2007標準中對內圈鋼帶繞圈數(shù)有明確的要求，生產(chǎn)時應嚴格遵照執(zhí)行。

圖5 內圈鋼帶繞圈數(shù)過多

3.2 其他問題

纏繞式墊片在生產(chǎn)時還會出現(xiàn)：（1）外環(huán)鍍鋅層脫落；（2）外環(huán)安裝間隙過大，（3）密封面局部掉落；（4）焊點脫裂等質量問題，在產(chǎn)品制造過程中應注意防范。

3.3 常見問題對壓縮率、回彈率的影響

纏繞式墊片常見質量問題對產(chǎn)品的壓縮、回彈性能有著不同程度的影響，表2示出了常見問題對產(chǎn)品壓縮率、回彈率的影響情況。

從表中可以看出，防范質量問題對壓縮回彈性能的重要意義。

表2 常見質量問題對產(chǎn)品壓縮率、回彈率的影響情況

4 典型失效案例分析

4.1 翹曲情況與設置內環(huán)

纏繞式墊片的徑向向內翹曲是在使用過程中經(jīng)常會出現(xiàn)的問題之一。在相同的操作條件下，大直徑尺寸的纏繞式墊片對這類翹曲特別敏感。例如2016年9月某化工廠使用的柔性石墨纏繞式墊片，在嚴重熱瞬變工況條件下，出現(xiàn)了內外徑金屬帶分離的情況；又如2015年11月，某石化廠在安裝聚四氟乙烯纏繞式墊片時，出現(xiàn)了徑向向內翹曲變形現(xiàn)象。2種情況雖然都是由于纏繞式墊片的徑向向內翹曲，最終導致墊片應用失效，但發(fā)生的原因卻截然不同。第1種情況是由于不銹鋼帶與填料具有不同的熱膨脹系數(shù)（柔性石墨為（2～3）×10-6/℃，304不銹鋼為（17～18）×10-6/℃），在高溫或大的溫度梯度條件下將導致不同材料的熱膨脹值相差較大，從而產(chǎn)生較大的內應力，致使纏繞式墊片的徑向向內翹曲。而第2種情況是由于在裝配時，聚四氟乙烯墊片不帶金屬內環(huán)導致的［5］。

標準對class900的NPS≥24、class1500的NPS≥12和class2500的NPS≥4的所有填料的纏繞式墊片都要求設置內環(huán)，對內環(huán)的尺寸也提出了要求，同時也提出了內環(huán)伸入法蘭內孔的最大距離應不超過1.5mm，內加強環(huán)的材料應與金屬纏繞帶的材料一致［6］。

4.2 滑移剪切

滑移剪切損壞也是纏繞式墊片在應用時常出現(xiàn)的失效形式［7～12］，見圖 6 所示。產(chǎn)生的原因主要有：（1）在加工時法蘭面平行度未達到標準要求。（2）法蘭接頭在焊接時未達到要求，導致對應的兩法蘭平面的平行度較差；（3）法蘭接頭在安裝時受力不均且長期處于該狀態(tài)下使用；當變形的接頭處產(chǎn)生泄漏時，會對墊片產(chǎn)生橫向的剪切力，使纏繞墊片發(fā)生屈服變形，并最終導致墊片密封面損壞，從而產(chǎn)生泄漏。通過觀察纏繞墊片周邊的損壞和差異狀況，可以判斷墊片的失效原因，尤其是軟質墊片。墊片的失效原因一般有：墊片厚度不當、選用不合適、過分壓縮、預緊力不夠、貯存不當、墊片老化和墊片重復使用等。

因此在墊片安裝前，需要確保法蘭接頭的加工和法蘭焊接符合圖紙設計要求，安裝時，應保證接口處的法蘭受力平衡，接口處無異物，同時定期檢查，可以有效地預防此問題的發(fā)生。

圖6 纏繞式墊片的滑移剪切失效

5 希望與建議

（1）盡快采用纏繞式墊片高性能智能化的全自動生產(chǎn)設備制造，為產(chǎn)品質量的優(yōu)質夯實生產(chǎn)基礎。

（2）加強新材料的研發(fā)，提升原材料的質量水平。

（3）創(chuàng)新產(chǎn)品結構設計，做到結構合理、外觀精美和質量可靠，達到或超過世界先進水平。

（4）復合管道是以2種材料或更多種材料制成的新型管道，具有韌性好，抗沖擊，耐腐蝕和使用壽命長等優(yōu)點，希望有關部門加快在海洋資源運輸工程中推廣應用。

［1］ 陳慶，甘樹坤，劉興德，等.W形柔性石墨金屬纏繞墊片結構及工藝參數(shù)優(yōu)化試驗研究［J］.潤滑與密封，2014，39（9）：104-107.

［2］ 李江，聶穎新.金屬纏繞墊片產(chǎn)品的質量檢測與分析［J］.流體機械，2010，38（8）：41-44.

［3］ 全國管路附件標準化技術委員會.中國標準出版社第三編輯室編［S］.零部件及相關標準匯編密封墊片卷，中國標準出版社.

［4］ 顧伯勤，時梨霞，陸曉峰，等.不銹鋼柔性石墨纏繞墊片的高溫性能研究［J］.石油機械，2000，28（2）：13-16.

［5］ 盧志珍，許京荊，王正濤,等.PTFE纏繞墊片旋轉法蘭的強度及密封性能研究［J］.機械設計與制造，2014（12）：169-175.

［6］ 蔡仁良.流體密封技術—原理與工程應用［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2013.

［7］ 陳慶，劉書麟，程學晶.壓力管道用柔性石墨不銹鋼波齒復合墊片壓縮-回彈性能優(yōu)化試驗研究［J］.壓力容器，2016，43（11）：20-23.

［8］ 潘華辰，祝佳樂.填料密封阻塞下氣體螺旋密封的數(shù)值模擬研究［J］.機電工程，2014，31（3）：306-310.

［9］ 羅從仁，喻健良，董強.高溫法蘭接頭升溫速度對墊片應力影響研究［J］.化工設備與管道，2016，54（4）：1-2.

［10］ 周先軍，文衛(wèi)朋，尚慶軍.雙金屬自密封波齒墊片結構參數(shù)及密封性能研究 ［J］.壓力容器，2015，32（4）：16-21.

［11］ 楊書益.核電用石墨密封墊片的試驗方法研究［J］.流體機械，2015，43（1）：47-50.

［12］ 張雨果，謝蘇江，胡宏玖.膨體聚四氟乙烯墊片的厚度對力學行為和密封性能的影響 ［J］.流體機械，2015，43（10）：11-15.

［12］ 關慶賀，張光.纏繞墊片匹配凹凸面法蘭接頭密封泄漏的討論［J］.中國特種設備安全事故分析，2013，30（5）：46-48.