高溫壓管道法蘭密封缺陷綜合治理策略研究及應(yīng)用

楊寶紅

（中廣核研究院有限公司 反應(yīng)堆工程實(shí)驗(yàn)研究中心，廣東 深圳 518000）

電廠以及工業(yè)實(shí)驗(yàn)裝置通過管道將各設(shè)備連成一體，其主要管道連接方式有焊接、黏接、螺紋連接及法蘭連接，其中法蘭連接是其中比例較大的連接方，如裝設(shè)孔板、設(shè)備帶法蘭、表面處理禁止焊接、輸送可燃流體管道等場合（需拆卸）等情況下應(yīng)用比較普遍。本文通過高溫高壓管道法蘭密封缺陷綜合治理策略研究，應(yīng)用此理念，通過對高溫高壓管道法蘭的缺陷處理進(jìn)行細(xì)化，明確此類法蘭缺陷的具體處理方法，固化維修質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，并建立相應(yīng)的預(yù)防性維修策略，提高了問題處理的效率，并且避免了一些技術(shù)方案不當(dāng)造成的經(jīng)濟(jì)損失或時間損失，此項(xiàng)研究對于同類工業(yè)高溫高壓設(shè)備管道法蘭密封問題的處理有較高的借鑒價值和推廣意義。

1 實(shí)驗(yàn)裝置存在的問題以及密封原理

實(shí)驗(yàn)裝置存在的問題：本文涉及的實(shí)驗(yàn)裝置連接中，使用了大量的金屬透鏡墊和八角墊，其中穩(wěn)壓器加熱棒透鏡墊密封（34處），人孔大直徑八角墊密封（1處），小尺寸八角墊（2處），安全閥密封（2處），總計(jì)39處；管道閥門連接法蘭八角墊密封（23處）；回路法蘭八角墊密封（75處），連同B支路計(jì)算，預(yù)計(jì)約總計(jì)200多處金屬透鏡墊和八角墊密封。此類密封在高溫高壓裝置中使用比較普遍，此實(shí)驗(yàn)裝置此類法蘭的跑冒滴漏在2017年年底之前較為頻繁，處理方法之前尚未固化，維修成本較高，耗費(fèi)時間較長，對實(shí)驗(yàn)裝置的正常實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)影響較大。

2 高溫高壓法蘭跑冒滴漏問題分析

2.1 法蘭核心維修能力不足

此文涉及的實(shí)驗(yàn)裝置為新建裝置，在設(shè)備運(yùn)維方面同樣處于建設(shè)初期，高溫壓法蘭以往的拆裝過程中的檢查、研磨維護(hù)以及墊片更換方面欠缺成熟的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，以及由于裝置運(yùn)維方面存在密封面的核心維修能力的不足（如研磨、微弧焊方案以及專業(yè)技術(shù)人員、設(shè)備等），這些因素對法蘭密封整體可靠性降低有較大相關(guān)性。

2.2 從法蘭密封原理方面進(jìn)行原因分析

管道法蘭連接形式是將法蘭（密封面）、緊固件（絕大多數(shù)是螺栓螺母）、密封墊片構(gòu)成，管道法蘭的密封是通過這三個部件之間的協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)的，這個結(jié)構(gòu)中法蘭密封墊片是實(shí)現(xiàn)密封功能的核心部件。管道法蘭在螺栓緊固力矩的作用下，將法蘭密封面之間的密封墊片壓緊壓實(shí)。作用于法蘭密封面單位面積上的緊固力矩需要達(dá)到一定數(shù)值才可以將法蘭密封墊片壓縮變形以至于被壓實(shí)，法蘭密封面上存在的因?yàn)樵O(shè)備機(jī)械制造期間形成的微隙從而被填充滿，使管道法蘭建立起初始密封條件，以達(dá)到密封的目的，法蘭連接密封所需的壓緊應(yīng)力被稱作密封墊片的密封比壓力，以y表示，單位為Mpa。在管道法蘭密封這種強(qiáng)制密封結(jié)構(gòu)中，出現(xiàn)密封失效故障的原因主要有以下幾個方面：（1）法蘭密封壓緊力分布存在不均異常；（2）法蘭應(yīng)力松弛和扭矩?fù)p失；（3）密封墊片與法蘭自身缺陷；（4）溫度變化。

2.3 高溫高壓工況對法蘭密封性能的影響

當(dāng)管道系統(tǒng)介質(zhì)壓力上升時，會使密封墊片的有效緊固力比預(yù)緊力小，但當(dāng)管道系統(tǒng)介質(zhì)的溫度升高時，螺栓緊固件的溫度上升卻會有所滯后，管道法蘭的溫度上升過快時，會促使熱脹將密封墊片進(jìn)一步產(chǎn)生壓縮，密封墊片應(yīng)力會有所增加。工業(yè)裝置管道介質(zhì)如果溫度升降過快，會導(dǎo)致管道、法蘭、墊片、螺栓的溫差增大，它們之間的應(yīng)力與應(yīng)變不能夠在瞬時間完成互相的協(xié)調(diào)匹配，也會促使法蘭密封失效。因此，工業(yè)裝置在停運(yùn)檢修階段，運(yùn)行人員嚴(yán)格控制裝置回路溫度下降速率是非常有必要的。

2.4 金屬環(huán)形墊特性

此類金屬環(huán)形墊片的密封是圓周線密封結(jié)構(gòu)，所以，對于安裝檢查期間必須做好墊片表面狀況檢查，要求新張的金屬環(huán)形墊片的金屬環(huán)以及法蘭本體環(huán)槽表面不得存在傷痕等缺陷，墊片表面應(yīng)當(dāng)光滑干凈無異常。金屬環(huán)形墊雖然首次安裝后密封效果較好，但是，由于墊片和法蘭面之間僅為線接觸，并且這種墊片的密封壓緊力矩有非常大，金屬環(huán)形墊與法蘭環(huán)槽接觸點(diǎn)之間的力通常很大(一般要大于12MPa)，尤其是在管道回路介質(zhì)高溫的情況下，這會導(dǎo)致法蘭環(huán)槽表面產(chǎn)生變形以及裂紋等損傷，如果發(fā)生了墊片密封失效后，就會很難再次實(shí)現(xiàn)密封。

3 高溫高壓法蘭全面處理策略制定

針對以上高溫高壓管道金屬環(huán)墊法蘭密封失效的相關(guān)分析，對于此裝置此類問題，我們經(jīng)過相關(guān)調(diào)研后，從法蘭結(jié)構(gòu)三個組成部分法蘭、墊片、緊固件全方位著手制定改進(jìn)措施，提升裝置自主維修核心能力，系統(tǒng)地解決了密封面維修難題，并制定與之相關(guān)的預(yù)防性維修措施，提升日常維護(hù)質(zhì)量和水平，將潛在隱患扼殺在搖籃中，消于無形。

3.1 高溫壓法蘭密封面研磨核心能力提升

高溫壓法蘭金屬環(huán)形墊密封面常見缺陷有變形、腐蝕、汽蝕、電蝕、刮傷、劃痕、凹坑。因此，為了達(dá)到保證法蘭密封面的密封性能考慮，在設(shè)備安裝維修時，需要滿足一定程度的平整度和光潔度要求。當(dāng)前階段現(xiàn)場對于此類法蘭的密封面修復(fù)一般分為兩種：一種是法蘭密封面缺陷故障較為輕微時（一般缺陷深度小于0.1mm），維修人員采用直接研磨修復(fù)；另一種是當(dāng)法蘭密封面缺陷深度較大時，維修人員目前采用微弧焊修補(bǔ)然后打磨粗修最終通過精細(xì)研磨修復(fù)。密封面研磨工藝過程如下：將密封面清洗干凈，檢查研磨胎具與待修復(fù)密封面的配合情況，且胎具研磨面應(yīng)光潔無銹蝕，不得有凸起、裂紋、毛刺等缺陷。（1）用P80砂紙對密封面進(jìn)行粗研磨；（2）用60μ砂紙對密封面進(jìn)行細(xì)研磨；（3）用30μ砂紙對密封面進(jìn)行拋光；（4）對密封面做紅丹/蘭油試驗(yàn)，印痕應(yīng)均勻連續(xù)無斷點(diǎn)。如印痕不能均勻連續(xù)則需繼續(xù)研磨直至紅丹試驗(yàn)合格。

3.2 高溫壓法蘭密封面微弧焊處理核心能力提升

此類法蘭本體環(huán)形槽密封面如果缺陷較大，不能直接通過研磨修復(fù)時，目前，經(jīng)過處理工藝的開發(fā)，維修人員現(xiàn)場采用微弧焊焊接工藝對法蘭密封面進(jìn)行補(bǔ)焊修補(bǔ)處理。如果法蘭密封面初始缺陷不是不大，維修人員通過診斷判斷就不需通過要微弧焊工藝修補(bǔ)環(huán)節(jié)，只是通過研磨修復(fù)就可以完成密封缺陷損傷的處理。微弧焊修補(bǔ)焊密封面的處理過程如下：（1）用打磨機(jī)將缺陷處的氧化皮及破損層金屬打磨干凈直至露出光亮金屬表面，然后將密封面清洗干凈。（2）選用同母材相同的焊絲，采用點(diǎn)焊方式補(bǔ)焊（注意工件溫升應(yīng)小于80℃）。（3）焊接參數(shù)控制：（4）對補(bǔ)焊處進(jìn)行粗磨；（5）對密封面進(jìn)行研磨；（6）對密封面做紅丹/蘭油試驗(yàn)。

3.3 回路法蘭預(yù)防性緊固以及相應(yīng)改進(jìn)策略

高溫壓裝置法蘭在經(jīng)歷過熱態(tài)工況后，由于熱脹冷縮、振動等各種原因?qū)е碌姆ㄌm密封降級，經(jīng)過將近三年的實(shí)踐總結(jié)，我們從螺栓、墊片的保養(yǎng)選用檢查上，以及實(shí)驗(yàn)操作的升降溫控制上：（1）對回路法蘭螺栓進(jìn)行每次熱態(tài)后的全面力矩校核，對于發(fā)現(xiàn)松動的按照標(biāo)準(zhǔn)要求測量法蘭平行度等參數(shù)后按要求完成緊固。增加每次熱態(tài)后穩(wěn)壓器底部機(jī)械密封的緊固，對于緊固后打壓無法通過的解體進(jìn)行研磨后回裝處理。（2）升版裝置日常維修規(guī)程中對于螺栓除銹要求，現(xiàn)場巡視檢查各設(shè)備油漆涂刷有無脫落銹蝕等異常，發(fā)現(xiàn)異常后進(jìn)行統(tǒng)一記錄并除銹補(bǔ)漆，拆卸后的法蘭螺栓螺母梳理螺紋后進(jìn)行發(fā)黑保養(yǎng)處理。（3）梳理金屬環(huán)墊清單，采購鍍銀墊片，嚴(yán)控拆裝密封面檢查。（4）在每次起停裝置期間，降低升降溫速率對法蘭密封的影響。

3.4 法蘭檢修施工要求文件化標(biāo)準(zhǔn)化、推動QC隊(duì)伍建設(shè)

根據(jù)裝置現(xiàn)場運(yùn)維情況的需求，目前，已編寫的相關(guān)程序有4個，機(jī)械相關(guān)設(shè)備安裝檢修指令單16個，主要涵蓋試驗(yàn)段安裝、管道法蘭安裝、法蘭密封面研磨、穩(wěn)壓器加熱棒拆裝檢修、計(jì)量泵檢修、回路串洗等方面。電氣相關(guān)表單5個，儀控相關(guān)17個。計(jì)劃今年將常用的指令單全部補(bǔ)充完善，編審批生效后作為標(biāo)準(zhǔn)文件備用，特殊的檢修活動根據(jù)現(xiàn)場檢修情況逐步積累。并且針對承包商合作單位負(fù)責(zé)施工的項(xiàng)目編寫了質(zhì)量計(jì)劃，目前，已經(jīng)全面推廣實(shí)施，確保每項(xiàng)工作都有設(shè)質(zhì)量控制點(diǎn)，每個質(zhì)量點(diǎn)都有授權(quán)人員進(jìn)行把關(guān)。

為了規(guī)范裝置設(shè)備維修過程質(zhì)量控制，目前，已牽頭成立了部門的QC授權(quán)人員質(zhì)量控制團(tuán)隊(duì)，主要負(fù)責(zé)裝置設(shè)備預(yù)防性、糾正性維修以及改造施工期間配合施工負(fù)責(zé)人進(jìn)行設(shè)備隔離狀態(tài)驗(yàn)證簽點(diǎn)、防異物檢查簽點(diǎn)、質(zhì)量控制關(guān)鍵點(diǎn)(H/W)簽點(diǎn)以及安裝、維修、改造施工期間出現(xiàn)偏差、困難、新問題時提供指導(dǎo)和幫助。

QC人員在檢修活動過程中的分析確定裝置設(shè)備檢修修活動中需要進(jìn)行質(zhì)量控制的工藝環(huán)節(jié)，負(fù)責(zé)檢修過程的施工文件審查、對施工活動中關(guān)鍵的步驟工序設(shè)置質(zhì)量控制點(diǎn)并且負(fù)責(zé)施工執(zhí)行環(huán)節(jié)對檢修工藝及過程進(jìn)行質(zhì)量檢查控制、對設(shè)備缺陷的處理結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證簽收。

3.5 推動運(yùn)維信息化平臺建設(shè)以及維修大綱搭建

為了從根本上提升實(shí)驗(yàn)裝置可用性，固化幾年以來累積的維護(hù)經(jīng)驗(yàn)和良好實(shí)踐。2019年年初，設(shè)備負(fù)責(zé)部門開始著手進(jìn)行運(yùn)維信息化平臺的開發(fā)建設(shè)，目前，經(jīng)過將近一年的開發(fā)測試系統(tǒng)平臺即將上線，此系統(tǒng)囊括裝置設(shè)備的信息在線更新維護(hù)、設(shè)備備件采購管理、技術(shù)問題的審批流轉(zhuǎn)以及預(yù)防性維修管理、設(shè)備故障信息的通報處理以及糾正性維修的管理與流轉(zhuǎn)，后續(xù)可以更加高效集約地對裝置設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控管理，提高裝置設(shè)備運(yùn)維管理水平。并且參考電廠統(tǒng)一做法，目前已創(chuàng)建裝置設(shè)備預(yù)防性維修大綱，根據(jù)設(shè)備特性與運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)對設(shè)備進(jìn)行預(yù)防性的維護(hù)安排，從根本上徹底解決設(shè)備維護(hù)的不規(guī)律與漏洞，提升設(shè)備的可靠性。

4 綜合治理策略應(yīng)用效果

高溫高壓管道法蘭密封缺陷全面處理策略研究及應(yīng)用，在大熱工裝置上發(fā)揮了巨大作用，從早期每月多達(dá)4～5次的泄漏頻發(fā)到如今的徹底根治可以看出：高溫高壓管道法蘭密封維修管理是一個系統(tǒng)工程，運(yùn)維負(fù)責(zé)主管部門只有從預(yù)防性維修大綱文件的編制、安裝/維修標(biāo)準(zhǔn)操作程序指令創(chuàng)建、人員執(zhí)行技能的培訓(xùn)、綜合性維修技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用以及相關(guān)信息系統(tǒng)的應(yīng)用全面提升后，設(shè)備密封可靠性才能得到根本保障，基礎(chǔ)文件、人員技能、維修技術(shù)、理論分析、信息平臺等配套缺一不可。

5 結(jié)語

高溫高壓管道法蘭密封缺陷作為影響高溫壓實(shí)驗(yàn)裝置正常運(yùn)行的重要技術(shù)問題，本論文作者通過行業(yè)調(diào)研，以及結(jié)合實(shí)驗(yàn)裝置的具體狀況，針對性地制定了高溫高壓管道法蘭密封缺陷全面處理策略，從法蘭維修的整體大綱搭建，研磨和微弧焊等維修技術(shù)方案制定，核心維修能力自主化培養(yǎng)，以及進(jìn)行了施工流程的文件化規(guī)范化的升級，推動質(zhì)量控制的QC隊(duì)伍建設(shè)和落地，全面提升了高溫高壓管道法蘭密封缺陷處理能力和維修質(zhì)量，系統(tǒng)全面地改善和提升了此類密封的可靠性，減少了由于此類故障檢修帶來的停機(jī)或停運(yùn)，降低了處理成本，提高了維修效率，對高溫高壓工業(yè)設(shè)備密封泄漏領(lǐng)域的問題的處理具有較大的參考價值和借鑒意義。