陳文松沈允生

中藍(lán)晨光化工研究設(shè)計(jì)院有限公司 成都 610041 中國(guó)船舶科學(xué)研究中心 無錫 214082

特殊環(huán)境下壓力容器的密封技術(shù)應(yīng)用

陳文松*沈允生

中藍(lán)晨光化工研究設(shè)計(jì)院有限公司 成都 610041 中國(guó)船舶科學(xué)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(jī)理，針對(duì)大深度海洋工程承壓設(shè)備和高溫高壓下大直徑壓力容器防止泄漏提出了對(duì)策。供從事相關(guān)工程技術(shù)人員參考。

密封技術(shù) 特殊環(huán)境 壓力容器

壓力容器的密封技術(shù)具有兩個(gè)特點(diǎn)：應(yīng)用的普遍性和對(duì)國(guó)家財(cái)產(chǎn)、人身生命安全的重要性。

密封技術(shù)是流體介質(zhì)輸送、儲(chǔ)存、換熱、反應(yīng)等過程中，防止其泄漏的必要手段和方法。廣泛應(yīng)用于生活、生產(chǎn)、科研活動(dòng)中，涉及各行各業(yè)。例如：航天工程、海洋工程、化學(xué)工程、機(jī)械工程、醫(yī)藥衛(wèi)生設(shè)備、環(huán)保設(shè)備、公路鐵路運(yùn)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(huì)造成流體介質(zhì)的損失和生產(chǎn)過程的停頓，更重要的是，對(duì)于在某些特殊環(huán)境中使用的設(shè)備和容器，一旦發(fā)生泄漏，將會(huì)造成生態(tài)環(huán)境破壞，海洋污染，甚至危及國(guó)家財(cái)產(chǎn)和人身生命安全。特別是壓力容器運(yùn)行在有高溫、高壓、易燃易爆、危害介質(zhì)、粉塵工況下，一旦泄漏，后果不堪設(shè)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(duì)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(guān)工程技術(shù)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(jié)構(gòu)主要有兩類：一類是靠螺栓預(yù)緊力使密封元件預(yù)變形，當(dāng)容器在工作時(shí)，其壓力會(huì)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(jié)構(gòu)，利用一部份高壓腔壓力，使可移動(dòng)元件保持或增加密封元件的壓縮量，不致于泄漏。

盡管設(shè)計(jì)時(shí)在法蘭的結(jié)構(gòu)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(xì)的考慮，但是，有些容器在特殊環(huán)境中使用時(shí)，還是會(huì)產(chǎn)生泄漏。

產(chǎn)生密封失效而泄漏的原因很復(fù)雜，主要原因有以下幾方面：

(1)法蘭及密封面機(jī)械加工造成的密封失效。因?yàn)榉ㄌm及密封面的機(jī)械加工，總會(huì)產(chǎn)生一些不平度和表面粗糙度的選擇不當(dāng)，使法蘭、密封面和墊片配合面之間產(chǎn)生間隙，流體介質(zhì)從存在壓差的高壓側(cè)向低壓側(cè)滲漏。

(2)在兩個(gè)壓力差之間通道上的密封材料或密封形式選擇不當(dāng)，密封件不能起到阻礙流體介質(zhì)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(chǎn)生超過預(yù)計(jì)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(shè)備，以及高溫、高壓大直徑的石油化工裝備上，常會(huì)發(fā)生密封失效而泄漏。

2 防止密封失效的對(duì)策

密封失效的基本原因已經(jīng)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(gè)方面考慮。

(1)封住連接面間隙：增加法蘭螺栓預(yù)緊力，減少法蘭密封面形狀、尺寸偏差。針對(duì)部分密封結(jié)構(gòu)形式，對(duì)密封面加工精度應(yīng)提高要求。封住間隙，隔離或切斷高壓側(cè)流體介質(zhì)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(shè)備中，為了考核各種水下設(shè)備和電纜、光纜，往往會(huì)有許多導(dǎo)纜通過水密接頭時(shí)，在高壓下會(huì)產(chǎn)生相對(duì)滑移和跑竄?？梢杂锰厥獾墓ぱb夾具對(duì)其壓差調(diào)整，以增加阻力，達(dá)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(bǔ)償密封墊片。例如，雙金屬自密封波齒復(fù)合墊片。

3特殊環(huán)境中壓力容器密封的應(yīng)用

3.1 大深度海洋工程設(shè)備上的密封

隨著海洋開發(fā)在世界范圍內(nèi)空前的活躍，在近海石油、天然氣開采，深海海洋資源的探測(cè)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(qiáng)大的水壓力，隨著水深，壓力也越大，當(dāng)容器設(shè)備沉入深海時(shí)，對(duì)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(yīng)重量相對(duì)輕巧，體積較小，凸出部件較小的設(shè)計(jì)原則，特別是重量非常敏感，因?yàn)樘峁┥细r(shí)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(shè)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(yù)緊密封有難度。通過實(shí)踐，證明目前采用的結(jié)構(gòu)形式是合理且可靠的。出入人孔的密封結(jié)構(gòu)由艙口蓋、O型密封圈、加強(qiáng)圍欄組成，密封面為錐面密封。具體結(jié)構(gòu)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(yù)緊力由艙口蓋縮緊機(jī)構(gòu)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(gè)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(shí)可采用雙O型圈結(jié)構(gòu)，也可采用密

圖1 出入人孔的密封結(jié)構(gòu)

封效果更好的C型圈、B型圈結(jié)構(gòu)等。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，艙口蓋開啟方便，可內(nèi)外操作。其缺點(diǎn)是該密封面的加工精度和艙口蓋裝配到加強(qiáng)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(jié)構(gòu)的可靠性，也可增加一些特殊結(jié)構(gòu)要求。

(2)耐壓罐：水下裝備的承壓設(shè)備中，有直徑大小不等，長(zhǎng)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(duì)罐內(nèi)布置的儀器設(shè)備進(jìn)行安裝和維護(hù)。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(jī)加工，高精度部件的組裝結(jié)構(gòu)，更為合理、適用。通常采用的耐壓罐密封結(jié)構(gòu)(現(xiàn)有局部結(jié)構(gòu)改進(jìn)優(yōu)化)見圖2。

圖2 耐壓罐的密封結(jié)構(gòu)

該密封結(jié)構(gòu)采用微法蘭和可拆卸的兩個(gè)微法蘭1和2相組合的結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)可卸可裝功能。便于打開封頭對(duì)耐壓罐內(nèi)的設(shè)備、儀器進(jìn)行維護(hù)。密封是通過安裝在密封槽內(nèi)的兩個(gè)O型密封圈實(shí)現(xiàn)的，該密封槽是由法蘭1、法蘭2和環(huán)實(shí)現(xiàn)一個(gè)自補(bǔ)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(gè)密封圈受壓后同時(shí)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(dá)到高壓密封的目的。

該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：密封的所有元件都分別用機(jī)械加工而成，沒有焊接件；裝卸和維護(hù)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(yùn)行。運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)密封失效，介質(zhì)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(chǎn)的極大隱患。如何解決泄漏問題，許多業(yè)內(nèi)人士經(jīng)過各方面的努力，在一定范圍內(nèi)取得了進(jìn)展，并在工程應(yīng)用中已有成功實(shí)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(diǎn)[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(huì)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(shè)計(jì)因目前的剛度計(jì)算沒有可靠的計(jì)算手段，因此法蘭剛度在滿足強(qiáng)度前提下也會(huì)出現(xiàn)不足。因?yàn)樵诟邷亍⒏邏合逻\(yùn)行，各種載荷的聯(lián)合作用，法蘭密封面容易產(chǎn)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(yù)緊狀態(tài)下，很難保證螺栓給予的預(yù)緊密封面都有良好狀態(tài)，當(dāng)在操作工況下，便會(huì)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(dāng)某處墊片的壓縮量小于密封所需的反彈量時(shí)，泄漏從此發(fā)生。

綜合性地解決上述四個(gè)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(shù)

根據(jù)上節(jié)分析，需從四個(gè)方面克服泄漏產(chǎn)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(yù)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(bǔ)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(dòng)調(diào)節(jié)密封面各點(diǎn)比壓，從而使其達(dá)到預(yù)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(fù)合墊片”[9]。這種墊片根據(jù)壓力自緊密封原理設(shè)計(jì)制造。它利用密封介質(zhì)的壓力來提高墊片的密封比壓，使墊片在兩個(gè)密封面之間保持良好的密封性能。具體結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 雙金屬自密封波齒復(fù)合墊片結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：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(shè)有圓弧形同心槽，且相互錯(cuò)開，金屬骨架上復(fù)一層適當(dāng)厚度的柔性石墨材料。整個(gè)墊片呈波齒狀。

該墊片的密封原理：一般的預(yù)緊式墊片處于操作狀態(tài)時(shí)，當(dāng)容器內(nèi)部壓力升高，預(yù)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(huì)泄漏。而該墊片在介質(zhì)壓力升高后，介質(zhì)會(huì)通過間隙進(jìn)入兩金屬間，并在上、下金屬片之間向上和向下擴(kuò)張，介質(zhì)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(diǎn)：它比纏繞式金屬墊片、柔性石墨金屬波齒復(fù)合墊片有更好的密封性、可靠性和安全性。安裝方便，適應(yīng)性廣。尤其對(duì)壓力、溫度范圍較高且有波動(dòng)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(shù)已不能滿足要求。目前近十余家石化企業(yè)裝置上成功應(yīng)用了該密封墊[4，11]。已被應(yīng)用到最大直徑達(dá)3300mm[4]，最大壓力達(dá)42MPa，最低/最高溫度達(dá)-196℃/600℃的場(chǎng)合[10]。它能對(duì)法蘭本身帶來的制造缺陷和操作工況下產(chǎn)生的變形有較好的補(bǔ)償能力，而且和傳統(tǒng)的“預(yù)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(dòng)的大直徑容器法蘭密封的有效措施。雙金屬自密封波齒復(fù)合墊目前根據(jù)各工程項(xiàng)目的實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)，有進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)。

4 結(jié)語

壓力容器的密封技術(shù)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(dòng)下的密封問題進(jìn)行討論，從中提出了改進(jìn)措施，供相關(guān)人員參考。

眾所周知，密封技術(shù)非常重要。但是，也必須從容器的功能性，運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)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(shè)計(jì)理念還在醞釀，即用允許泄漏量來綜合評(píng)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(guó)船級(jí)社. 潛水系統(tǒng)和潛水器入級(jí)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(shè)計(jì) [M].上海：上海交通大學(xué)出版社，1994.

4 高俊峰,吳樹濟(jì). 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(shè)備技術(shù), 2008,29(2)：63- 66.

6 許 偉. 脫硫反應(yīng)器大法蘭泄漏原因分析與改進(jìn)[J].石油化工設(shè)計(jì),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(shè)計(jì)方法研究[D].上海：中國(guó)石油大學(xué)，2008.

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

10 吳樹濟(jì), 高俊峰. 新型雙金屬自密封波齒復(fù)合墊片的結(jié)構(gòu)及其性能特點(diǎn)[J].石油化工設(shè)備技術(shù), 2012,33(05):57- 59.

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

2017-03-21)

*陳文松：高級(jí)工程師。1992畢業(yè)于華東化工學(xué)院流體機(jī)械專業(yè)，從事壓力容器設(shè)計(jì)工作、設(shè)備監(jiān)造、現(xiàn)場(chǎng)施工安裝指導(dǎo)20余年。 聯(lián)系電話：(028)85582599，E-mail：chws0326@163.com。