壓力容器、管道的墊片標(biāo)準(zhǔn)分析及發(fā)展應(yīng)用探討

周琦榮

(中國(guó)石化鎮(zhèn)海煉化公司，浙江寧波 315000)

墊片作為設(shè)置在靜密封面之間的關(guān)鍵密封元件，在石油化工領(lǐng)域的壓力容器、壓力管道上有廣泛應(yīng)用。隨著現(xiàn)代煉化裝置向大型化發(fā)展，壓力容器和管道所用的法蘭數(shù)量不斷增加，壓力等級(jí)、規(guī)格尺寸不斷增大，同法蘭匹配的墊片型式、規(guī)格也在不斷的更新及優(yōu)化發(fā)展，但存在現(xiàn)有規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)缺少相應(yīng)尺寸，缺少技術(shù)要求支撐的情況。

通過(guò)對(duì)中國(guó)石化煉廠及相關(guān)單位靜密封泄漏率及壓力容器、管道墊片失效情況的調(diào)研分析，對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合設(shè)計(jì)選型及制造安裝規(guī)范，通過(guò)對(duì)現(xiàn)壓力容器、管道主要在用金屬、非金屬墊片的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)選型等進(jìn)行分析探討，提出相應(yīng)建議措施，提升墊片的標(biāo)準(zhǔn)化管理。

1 墊片標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介

應(yīng)用在石油化工裝置壓力容器、管道法蘭的墊片主要分為:金屬墊片及非金屬墊片。而金屬墊片中以金屬包覆墊、金屬纏繞墊、金屬環(huán)墊、齒形復(fù)合墊及波齒復(fù)合墊應(yīng)用尤為廣泛，而非金屬墊中以柔性石墨復(fù)合墊片尤為受關(guān)注。

根據(jù)煉廠靜設(shè)備主要在用墊片的型式及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合相關(guān)設(shè)計(jì)及廠家的選型、制造規(guī)范，對(duì)涉及到的7大類(lèi)墊片、48個(gè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行簡(jiǎn)析。重點(diǎn)對(duì)其中失效案例較多的柔性石墨復(fù)合墊、金屬包覆墊進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)分析及發(fā)展應(yīng)用探討。

2 柔性石墨復(fù)合墊

與柔性石墨復(fù)合墊片相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)主要分為管道、容器、換熱器三大類(lèi)及其相關(guān)尺寸技術(shù)條件，共計(jì)7個(gè)標(biāo)準(zhǔn)(表1)。管道主要為美洲體系HG/T20627－2009和歐洲體系HG/T 20606－2009;容器主要為NB/T47024－2012;換熱器主要為GB/T29463.3－2012。

表1 柔性石墨復(fù)合墊片標(biāo)準(zhǔn)

2.1 標(biāo)準(zhǔn)主要釋義

HG/T20606、HG/T 20627中明確增強(qiáng)柔性石墨板由不銹鋼沖齒或沖孔芯板與膨脹石墨粒子復(fù)合而成，不銹鋼沖齒或沖孔芯板起增強(qiáng)作用。使用條件:公稱壓力1.0～6.3 MPa，工作溫度－240～650℃(氧化性介質(zhì)時(shí):－240～450℃)，最大P×T為1200(MPa·℃)。其包邊寬度3～5 mm，適用于全平面、突面、凹/凸面和榫/槽面法蘭。

JB/T 6628－2008中分類(lèi)、標(biāo)記為金屬齒板(RSB1222)和金屬平板(RSB1232)。物理力學(xué)性能如表2所示。

表2 復(fù)合板物理力學(xué)性能 %

復(fù)合墊密封泄漏率應(yīng)不大于1.0×10－3cm3/s，其泄漏率試驗(yàn)的預(yù)緊比壓為34.5 MPa。

GB/T 19675.2－2005 3.2.2中規(guī)定墊片應(yīng)由整張復(fù)合板切割制成，外徑大于1 000 mm的墊片，如需拼接，應(yīng)取得需方同意。

GB/T29463.3－2012適用于設(shè)計(jì)壓力0.25～4.0 MPa，設(shè)計(jì)溫度－20～350℃的管殼式熱交換器用非金屬軟墊片，其墊片尺寸最大公稱直徑2 000 mm。

2.2 應(yīng)用問(wèn)題分析

設(shè)計(jì)選型分析:①該類(lèi)墊片對(duì)法蘭面要求較低，法蘭面存在粗糙、凹坑、劃痕等缺陷時(shí)，石墨能很好地變形填充進(jìn)去，避免泄漏;②該類(lèi)墊片密封比壓較低，試驗(yàn)的預(yù)緊比壓為34.5 MPa。只有金屬纏繞墊(70 MPa)的一半，對(duì)于低壓法蘭、螺栓預(yù)緊力較低的法蘭具有較大的優(yōu)勢(shì);③對(duì)于公稱直徑大于2 000 mm以上的大型設(shè)備，標(biāo)準(zhǔn)中無(wú)相應(yīng)的尺寸及技術(shù)要求支撐;④墊片選型不能過(guò)窄，否則容易因單位面積上壓力過(guò)大而失效。

制造檢驗(yàn)分析:①墊片成型相對(duì)容易，易于制造一些形狀相對(duì)復(fù)雜的墊片;②不銹鋼沖齒或沖孔芯板主要為0.127 mm厚的不銹鋼片，剛性較差，需在內(nèi)外兩側(cè)加包邊;③對(duì)于GB/T 19675.2－2005 3.2.2中規(guī)定外徑大于1 000 mm的墊片，如需拼接，應(yīng)取得需方同意的條款要求，普遍缺少相應(yīng)的檢驗(yàn)及評(píng)估手續(xù)。

安裝分析:①大尺寸墊片在運(yùn)輸、安裝施工過(guò)程中容易產(chǎn)生變形、損壞;②在高比壓的情況下墊片的回彈性相對(duì)纏繞墊和波齒墊要差，所以在溫度、壓力波動(dòng)過(guò)大的場(chǎng)合，使用性能不如纏繞墊和波齒墊;③其泄漏率為1.0×10－3cm3/s(相對(duì)偏高)，壓縮變形量較大。在泄漏初期，可以進(jìn)行緊固消漏，在墊片嚙開(kāi)后，采用螺栓緊固方法基本無(wú)效果;④由于其預(yù)緊比壓相對(duì)較低，安裝緊固過(guò)程控制要求較高，建議采用定力矩或螺栓預(yù)緊力控制技術(shù)施工。

3 金屬包覆墊

同金屬包覆墊片相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)主要也分為管道、容器、換熱器三大類(lèi)及其相關(guān)尺寸技術(shù)條件，共計(jì)5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)(表3)。管道主要為美洲體系HG/T20630－2009，歐洲體系 HG/T20609－2009和GB/T15601－2013;容器主要為 NB/T47026－2012;換熱器主要為GB/T29463.1－2012。

表3 金屬包覆墊片標(biāo)準(zhǔn)

3.1 標(biāo)準(zhǔn)主要釋義

HG/T20609、HG/T 20630中按包覆金屬材料和填充材料的最高工作溫度要求，規(guī)定墊片使用最高工作溫度為600℃。GB/T15601－2013中根據(jù)新增的金屬材料及填充材料品種(如NS336，陶瓷纖維板等)，規(guī)定墊片使用最高工作溫度為800℃。

包覆層金屬材料的厚度為0.3～0.5 mm，應(yīng)使用整板制作，若拼接時(shí)，其拼接接頭按表4規(guī)定。

表4 金屬材料拼接接頭

填充材料不宜多層填充，如需多層填充，最多不超過(guò)3層。

GB/T29463.1－2012適用于設(shè)計(jì)壓力0.25～6.4 MPa，設(shè)計(jì)溫度－20～450℃的管殼式熱交換器用金屬包墊片，金屬材料的厚度一般為0.25 mm，0.35 mm，0.5 mm。若拼接時(shí)，其拼接接頭按表5規(guī)定，技術(shù)要求高于管道，容器相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)要求。其墊片尺寸最大公稱直徑2 000 mm。

表5 金屬材料拼接接頭

復(fù)合墊密封泄漏率應(yīng)不大于1.0×10－2cm3/s。

3.2 應(yīng)用問(wèn)題分析

設(shè)計(jì)選型分析:①對(duì)于公稱直徑大于2 000 mm以上的熱交換設(shè)備，標(biāo)準(zhǔn)中無(wú)相應(yīng)的尺寸及技術(shù)要求支撐;②該類(lèi)墊片其泄漏率為不大于1.0×10－2cm3/s(較高)，而且根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際泄漏案例及目前相關(guān)設(shè)計(jì)院的反饋，該類(lèi)墊片在設(shè)計(jì)選型期間不優(yōu)先推薦考慮。

制造檢驗(yàn)分析:雖標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該類(lèi)墊片的金屬材料拼接接頭有明確規(guī)定，但制造質(zhì)量檢查及出廠檢驗(yàn)缺少相應(yīng)的有效、可視化手段。

安裝分析:①在高比壓的情況下墊片的回彈性相對(duì)較差，不適宜溫度、壓力波動(dòng)較大的場(chǎng)合;②其泄漏率為1.0×10－2cm3/s(較高)，預(yù)緊比壓相對(duì)較低，安裝緊固過(guò)程控制要求較高。

4 案例分析

某煉廠乙烯裝置換熱器原始?jí)|片設(shè)計(jì)選型基本為金屬包墊片(JB/T 4706－2000)，在裝置原始開(kāi)工及首次大修后，有部分換熱器陸續(xù)發(fā)生法蘭墊片泄漏現(xiàn)象。重點(diǎn)對(duì)其中的裂解氣壓縮機(jī)五段冷卻器EA－205管箱側(cè)法蘭墊片泄漏的問(wèn)題，對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行墊片設(shè)計(jì)選型及變更優(yōu)化的合理性進(jìn)行討論分析，提出合理的建議措施，從墊片選型、制造及安裝3方面把控設(shè)備可靠關(guān)。

4.1 原設(shè)計(jì)墊片選型分析

該換熱器管箱側(cè)法蘭墊片按JB/T 4706－2000《金屬包墊片》進(jìn)行設(shè)計(jì)選型，同 GB/T29463.1－2012《管殼式熱交換器用墊片 第1部分:金屬包墊片》中規(guī)格尺寸也一致，Φ1708×Φ1658×3。而該類(lèi)墊片泄漏率＜1.0×10－2mL/s(泄漏率相對(duì)較高)，且已經(jīng)是PN4.0 MPa下的極限選型規(guī)格(殼程最高工作壓力4.029 MPa)。

故此處設(shè)計(jì)選型雖符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但已處于邊界選型且該類(lèi)墊片的泄漏率相對(duì)較高，并非最佳可靠性選型。

4.2 檢驗(yàn)及安裝分析

檢驗(yàn)方面:GB/T29463.1－2012《管殼式熱交換器用墊片 第1部分:金屬包墊片》中6.1出廠檢驗(yàn)規(guī)定，墊片應(yīng)按技術(shù)要求逐片進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)合格后方可出廠。但實(shí)際出廠檢驗(yàn)缺少相應(yīng)的技術(shù)復(fù)核檢驗(yàn)，如金屬材料拼接接頭是否≤4個(gè)等。

安裝方面:鑒于該類(lèi)墊片的預(yù)緊比壓不高及制造尺寸偏差，尤其對(duì)于非整體制造且大直徑的墊片，不建議使用傳統(tǒng)的沖擊力緊固，而應(yīng)采取科學(xué)的、標(biāo)準(zhǔn)的定力矩緊固管理。

4.3 墊片優(yōu)化選型分析

按照設(shè)備主要技術(shù)數(shù)據(jù)(P，T值等)，結(jié)合柔性石墨復(fù)合墊的7個(gè)相關(guān)選用標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)按GB/T29463.3－2012《換熱器非金屬軟墊片》進(jìn)行墊片選型，E205管箱側(cè)墊片可考慮變更選型為Φ1708×Φ1648×3304+石墨柔性石墨復(fù)合墊。較原選型金屬包墊片Φ1708×Φ1658×3單邊密封寬度多5 mm。

5 結(jié)語(yǔ)

縱觀墊片標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，在墊片選型、復(fù)查、安裝期間，建議重點(diǎn)關(guān)注:墊片預(yù)緊比壓(不同螺栓規(guī)格對(duì)應(yīng)的螺栓預(yù)緊力矩值不一樣);墊片的密封寬度;是否為整版/整體制造;材質(zhì)及尺寸公差;大型設(shè)備的墊片選型及論證(超出標(biāo)準(zhǔn)范圍的，需在設(shè)計(jì)審查環(huán)節(jié)進(jìn)行逐一選型論證)。

綜合上述分析，建議結(jié)合新型可靠性墊片的研發(fā)，通過(guò)優(yōu)化墊片選型管理，配套科學(xué)的螺栓預(yù)緊力控制，才能切實(shí)提升設(shè)備法蘭靜密封點(diǎn)的可靠性。