高溫高壓監(jiān)測設(shè)備法蘭密封形式改進

柳小康 趙國浩 周犢

摘? 要：針對高溫高壓監(jiān)測設(shè)備法蘭頻繁泄漏蒸汽的問題，通過分析研究法蘭密封結(jié)構(gòu)及密封副的情況，發(fā)現(xiàn)此處法蘭墊片設(shè)計選型不合理，不適用此法蘭結(jié)構(gòu)及運行工況。通過對法蘭密封進行理論計算，重新設(shè)計一種尺寸結(jié)構(gòu)和密封性能合適的金屬石墨組合齒形墊片，替代原金屬墊片。法蘭密封結(jié)構(gòu)改進換型后，密封效果良好，徹底解決了蒸汽介質(zhì)泄漏問題。

關(guān)鍵詞：法蘭密封;金屬齒形石墨組合墊片;泄漏;緊固力矩

概述

法蘭密封結(jié)構(gòu)常見的失效形式是泄漏。泄漏除了和安裝工藝及法蘭密封面狀況有關(guān)外，最主要的原因在于墊片選型是否正確。墊片的基本性能通常從兩個方面來描述，一是其力學(xué)性能，包括壓縮回彈特性、蠕變和應(yīng)力松弛特性等;二是其基本密封特性，它是與泄漏率相聯(lián)系的，是衡量墊片綜合性能的主要指標(biāo)。針對不同的工況，應(yīng)選取對應(yīng)的適用墊片。

從2014年01月至2019年01月，某核電站機組GPV系統(tǒng)SN法蘭處出現(xiàn)漏水、漏汽的相關(guān)缺陷有35項，平均每兩個月會出現(xiàn)一起SN法蘭泄漏的故障。在大修期間對相關(guān)SN法蘭拆解，通過分析研究法蘭密封結(jié)構(gòu)及密封副的情況，發(fā)現(xiàn)此處法蘭墊片設(shè)計選型不合理。通過理論計算，并重新設(shè)計選型，將原金屬墊片替換為金屬石墨組合齒形墊片，新墊片安裝后消除了法蘭泄漏故障。

1.故障簡介

1.1故障描述

2017-12-08，某機組GPV0481SN保溫殼內(nèi)有蒸汽冒出。

2018-01-04，拆開保溫后，發(fā)現(xiàn)法蘭漏汽。

2018-04-04，日常使用PX票在線緊固處理，最終緊固力矩180N.m，緊固后仍未消漏，提通知單跟蹤。

大修期間，將此處法蘭拆開檢查，發(fā)現(xiàn)法蘭面及法蘭邊緣存在泄漏痕跡，但無沖蝕。

查詢同類設(shè)備檢修歷史（從2014年1月至2019年1月），某核電站各個機組GPV系統(tǒng)SN出現(xiàn)漏水、漏汽的相關(guān)通知單有35項，其中較為典型的缺陷為保溫層漏蒸汽或輕微漏汽。

1.2設(shè)備簡介

GPV0481SN是液位開關(guān)電容探頭，每臺機組同類設(shè)備有15個，清單如表1。

SN通過法蘭與現(xiàn)場豎直管道連接，安裝時保證水平角度≥5°，以便實現(xiàn)SN的監(jiān)測功能。SN法蘭為全約束密封副設(shè)計，端蓋平面和管道法蘭平面組成一對法蘭，兩端均布設(shè)計有墊片凹槽，總槽深5.2mm，密封面帶水紋線;原設(shè)計墊片為金屬墊片，Ф81*Ф61*6.8mm，設(shè)計壓縮率23%;法蘭螺栓：M16*8顆，SN法蘭原設(shè)計時選取了彈性螺栓進行安裝，此類螺栓能承受較大交變載荷和沖擊載荷，能減小溫度及振動對螺栓強度的，上游文件要求安裝力矩：130N.m。SN法蘭結(jié)構(gòu)見圖1。

2.原因分析

2.1法蘭密封面缺陷：

如果法蘭密封面本身存在如凹坑、壓痕、劃痕、擦傷、毛刺、裂紋、腐蝕等損傷性缺陷，或者表面不潔凈，殘留外來污染物，都會影響墊片的密封能力。密封面缺陷允許深度與所使用的墊片類型有關(guān)，硬的墊片不容易在局部缺陷處和密封面貼合，對局部缺陷比軟墊片更。此處原設(shè)計為較硬的金屬墊片，若密封面存在無法貼合的缺陷，則必然造成法蘭泄漏。

2.2密封墊片選型不合理：

高溫工況下，墊片回彈性能會下降，如果墊片回彈量小到不足以補償介質(zhì)壓力、溫度和法蘭附件載荷引起的密封面的分離量時，將導(dǎo)致連接系統(tǒng)泄漏率的增大，這是引起高溫螺栓連接法蘭泄漏的主要原因之。日常運行期間發(fā)生泄漏的法蘭進行加載力矩緊固后，泄漏情況有好轉(zhuǎn)，證明墊片上的應(yīng)力在運行期間有所減小，墊片無法滿足實際運行工況。

結(jié)合以上原因分析，可以得出此SN法蘭原始設(shè)計的密封形式不合理，所選墊片為金屬墊片，對法蘭密封面缺陷較為敏感，無法滿足溫度變化下有交變載荷的運行工況。

3.法蘭密封形式改進

3.1法蘭密封力核算：

日常期間法蘭發(fā)生泄漏時進行緊固消漏的最大緊固力加載至180N.m，泄漏仍未消除，說明密封面已經(jīng)無法實現(xiàn)密封了，如果依靠提高緊固力矩來消漏，則可能導(dǎo)致法蘭、螺栓或墊片損壞，還對與法蘭連接的管道和設(shè)備造成了附件高應(yīng)力。上游文件要求力矩130N.m，該處法蘭的最高工作壓力6.42MPa，最高工作溫度301℃，根據(jù)《法蘭螺栓載荷計算書》核算的結(jié)果如下：

1）對于金屬石墨組合墊片，法蘭墊片所需的最小墊片應(yīng)力為82.8MPa，最大墊片應(yīng)力為207MPa;

2）在130N.m力矩下，法蘭墊片的應(yīng)力為146MPa;

3）按照緊密度等級來評價，各等級下的緊固力矩分別為：

密封緊密度（Tp） T1 T2 T3 T4 T5

螺栓緊固力矩 29.12475505 45.46270109 78.06118915 143.1037239 272.8806423

緊密度代表了法蘭密封的泄漏水平，上游文件中的130N.m力矩已經(jīng)達(dá)到接近T4級的水平，滿足法蘭密封的要求。緊密度等級的行業(yè)劃分見圖2。

3.2法蘭墊片改進方案：

此處法蘭墊片需要承受高溫高壓介質(zhì)，而且從法蘭密封應(yīng)力核算結(jié)果分析，此處安裝的法蘭墊片需要承受較高的墊片應(yīng)力，因此選取金屬齒形石墨組合墊片是較好的方案。齒形組合墊片的主體為金屬齒形骨架和柔性石墨，兩者之間覆有一層膠黏劑。其中柔性石墨使墊片具有較好的壓縮回彈性能，金屬骨架為承受高壓提供了基礎(chǔ)，而金屬齒尖形成了多條線密封，提高了密封比壓，使之在極端條件下也具有優(yōu)異的密封性能。此墊片的結(jié)構(gòu)見圖3。

現(xiàn)場改進前后墊片見圖4、圖5。

關(guān)于墊片尺寸的設(shè)計，需要考慮壓縮率，現(xiàn)場進行了安裝試驗。

2019年2月16日，聯(lián)系墊片廠家根據(jù)密封面實際尺寸并參考原金屬墊片尺寸，測繪并定制了金屬石墨組合齒形墊片。

2019年2月21日，試裝墊片到貨，材質(zhì)：316L+核級石墨，實測尺寸：Ф61.00*Ф81.00*7.20mm?，F(xiàn)場試裝按照180N.m力矩進行安裝，安裝后檢查測量法蘭平行度0.08mm，兩法蘭面最大間隙1.33mm，最小間隙1.25mm;拆下試裝墊片，測量壓縮后的墊片厚度為6.30mm，相對試裝前被壓縮了0.90mm。如果按照130N.m緊固，墊片壓縮量將<0.90mm。

按照現(xiàn)場試裝情況，重新定制試裝的金屬石墨組合齒形墊片，將墊片厚度減小至6.10（5.2+0.9）mm，確保安裝后兩法蘭面間隙接近0mm。而且也有相關(guān)研究表明，采用不銹鋼骨架，齒距在3-5mm，柔性石墨覆層厚度在1.3mm左右的復(fù)合墊片具有較好的力學(xué)。因此，最終設(shè)計的墊片尺寸為Ф61.00*Ф81.00*6.10mm。

3.3現(xiàn)場改進情況：

大修涉及拆裝的GPV系統(tǒng)SN法蘭共有6個，分別為：GPV0081/0381/1081/2081/0082/0481SN。此6個SN法蘭均使用了新設(shè)計的金屬齒形石墨組合墊片，現(xiàn)場完成SN法蘭安裝后，測量法蘭平行度及間距數(shù)據(jù)見表2。

從以上緊固后的平行度和間隙來看，整個法蘭密封組件的尺寸配合非常好，墊片的厚度設(shè)計合理，緊固后留有一定間隙，可以保證螺栓載荷全部作用到了墊片上，密封應(yīng)力可以得到保證。

3.4方案實施收益：

1）工藝質(zhì)量可控性提升：和原設(shè)計的金屬墊片相比，此新型墊片可以降低法蘭安裝精度要求，石墨的補償性也對密封面微小間隙實現(xiàn)良好補償，同樣的法蘭，使用改進后墊片安裝將大大提高法蘭密封的可靠性;

2）減少日常期間帶壓堵漏工作：較以往金屬墊片頻繁泄漏的情況，改進后墊片可消除日常期間的泄漏問題，無需增加帶壓堵漏的維修成本，也避免了高風(fēng)險作業(yè)，此設(shè)備日常無法隔離，日常發(fā)現(xiàn)泄漏沒有更換的機會只有高溫高壓情況下帶壓堵漏或者停機處理;

3）原墊片是美國進口備件價格昂貴（RMB4557.81/個），新墊片為國產(chǎn)化墊片價格較低（RMB150/個），可以顯著減少后續(xù)備件采購成本。

4.結(jié)論

決定螺栓連接法蘭密封有三個關(guān)鍵因素：零件質(zhì)量、法蘭設(shè)計和安裝。本次從現(xiàn)場故障情況進行分析判斷，發(fā)現(xiàn)了法蘭泄漏的原因在于其設(shè)計存在不合理的情況。最終重新設(shè)計了結(jié)構(gòu)尺寸合適和密封性能優(yōu)良的金屬齒形石墨組合墊片，消除了法蘭泄漏的故障。

煉油、化工行業(yè)的法蘭設(shè)計中，有使用金屬石墨組合齒形墊片的實例，但此類墊片未在機械行業(yè)全面推廣應(yīng)用。此次技術(shù)改進中所設(shè)計的是特殊厚度尺寸的金屬石墨組合齒形墊片，且安裝在特殊結(jié)構(gòu)的法蘭密封副內(nèi)，拓展了此類墊片的應(yīng)用范圍。此改進方案也為同類結(jié)構(gòu)和運行參數(shù)的法蘭密封墊片改進換型提供了思路和方法。

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作者簡介：

柳小康（1993.3-），男，中廣核核電運營有限公司大修中心靜止機械分部準(zhǔn)備主管工程師，主要從事管道、閥門維修及故障處理工作;

趙國浩（1988.8-），男，中廣核核電運營有限公司大修中心靜止機械分部陽江項目隊隊長，主要從事管道、閥門維修及故障處理工作;

周犢（1979.6-），男，中廣核核電運營有限公司大修中心靜止機械分部主任工程師，主要從事管道、閥門維修及故障處理工作。