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(zhuǎn)化技術(shù)的廣泛應(yīng)用以及石油化工煉制產(chǎn)品等技術(shù)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(fù)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(nèi)生產(chǎn)纏繞式墊片的廠家多達(dá)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(yīng)的纏繞式墊片技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)［3］，要求各有關(guān)生產(chǎn)企業(yè)必須按照國家技術(shù)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(yīng)用中存在一些質(zhì)量問題和失效案例，現(xiàn)將有關(guān)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(jié)構(gòu)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(shè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)型式又可分為基本型金屬纏繞墊片（A型）、帶內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(yīng)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(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)：溫度、腐蝕性、管道內(nèi)的壓力及波動、安全要求等情況，并擬定需要達(dá)到的密封等級，然后按照法蘭密封面的結(jié)構(gòu)形式、制造材料的強度和剛度，確定需要施加的預(yù)緊力值。如對于質(zhì)軟的不銹鋼法蘭面來說，應(yīng)提高預(yù)緊力來達(dá)到要求。在這些基本工況條件分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同類型的纏繞式墊片的密封特性，確定其結(jié)構(gòu)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(diào)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(jié)構(gòu)（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(fù)雜和缺乏規(guī)律性的工作場合；此外還應(yīng)綜合考慮墊片結(jié)構(gòu)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(zhì)量問題及其分析

3.1 常見質(zhì)量問題

生產(chǎn)設(shè)備和制造工藝是決定纏繞式墊片產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素。目前國內(nèi)纏繞式墊片的眾多生產(chǎn)廠家制造設(shè)備多種多樣，設(shè)備結(jié)構(gòu)和自動化程度也各不相同。自動化程度高的制造設(shè)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(zhì)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(shè)備為主。由于設(shè)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(zhì)量問題。

在多年的產(chǎn)品檢測和應(yīng)用調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，纏繞式墊片經(jīng)常出現(xiàn)的質(zhì)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(nèi)環(huán)或內(nèi)模具在纏繞時始終保持水平，可以有效預(yù)防上述問題的發(fā)生。

圖1 鋼帶嚴(yán)重冒出

圖2 鋼帶嚴(yán)重褶皺

（2）壓痕。在搬運過程中，由于搬運不當(dāng)有時會對密封面造成嚴(yán)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(zhuǎn)或安裝時，由于操作不當(dāng)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(dāng)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(gòu)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(dāng)介質(zhì)壓力增大時，介質(zhì)會沿著傷痕處向外沖擊而造成泄漏。

圖4 貫穿性傷痕

（4）內(nèi)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(nèi)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(biāo)準(zhǔn)中對內(nèi)圈鋼帶繞圈數(shù)有明確的要求，生產(chǎn)時應(yīng)嚴(yán)格遵照執(zhí)行。

圖5 內(nèi)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(zhì)量問題，在產(chǎn)品制造過程中應(yīng)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(zhì)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(zhì)量問題對壓縮回彈性能的重要意義。

表2 常見質(zhì)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(shè)置內(nèi)環(huán)

纏繞式墊片的徑向向內(nèi)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(yán)重?zé)崴沧児r條件下，出現(xiàn)了內(nèi)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(nèi)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(nèi)翹曲，最終導(dǎo)致墊片應(yīng)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(dǎo)致不同材料的熱膨脹值相差較大，從而產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，致使纏繞式墊片的徑向向內(nèi)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(nèi)環(huán)導(dǎo)致的［5］。

標(biāo)準(zhǔn)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(shè)置內(nèi)環(huán)，對內(nèi)環(huán)的尺寸也提出了要求，同時也提出了內(nèi)環(huán)伸入法蘭內(nèi)孔的最大距離應(yīng)不超過1.5mm，內(nèi)加強環(huán)的材料應(yīng)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(yīng)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(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。（2）法蘭接頭在焊接時未達(dá)到要求，導(dǎo)致對應(yīng)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(dāng)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(dǎo)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(zhì)墊片。墊片的失效原因一般有：墊片厚度不當(dāng)、選用不合適、過分壓縮、預(yù)緊力不夠、貯存不當(dāng)、墊片老化和墊片重復(fù)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(shè)計要求，安裝時，應(yīng)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(yù)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(shè)備制造，為產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)質(zhì)夯實生產(chǎn)基礎(chǔ)。

（2）加強新材料的研發(fā)，提升原材料的質(zhì)量水平。

（3）創(chuàng)新產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計，做到結(jié)構(gòu)合理、外觀精美和質(zhì)量可靠，達(dá)到或超過世界先進水平。

（4）復(fù)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(guān)部門加快在海洋資源運輸工程中推廣應(yīng)用。

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