柳小康 趙國(guó)浩 周犢

摘? 要：針對(duì)高溫高壓監(jiān)測(cè)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(jì)選型不合理，不適用此法蘭結(jié)構(gòu)及運(yùn)行工況。通過對(duì)法蘭密封進(jìn)行理論計(jì)算，重新設(shè)計(jì)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(jìn)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(gè)方面來(lái)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(duì)不同的工況，應(yīng)選取對(duì)應(yīng)的適用墊片。

從2014年01月至2019年01月，某核電站機(jī)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(xiàng)，平均每?jī)蓚€(gè)月會(huì)出現(xiàn)一起SN法蘭泄漏的故障。在大修期間對(duì)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(jì)選型不合理。通過理論計(jì)算，并重新設(shè)計(jì)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(jiǎn)介

1.1故障描述

2017-12-08，某機(jī)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(wú)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(gè)機(jī)組GPV系統(tǒng)SN出現(xiàn)漏水、漏汽的相關(guān)通知單有35項(xiàng)，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(jiǎn)介

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

SN通過法蘭與現(xiàn)場(chǎng)豎直管道連接，安裝時(shí)保證水平角度≥5°，以便實(shí)現(xiàn)SN的監(jiān)測(cè)功能。SN法蘭為全約束密封副設(shè)計(jì)，端蓋平面和管道法蘭平面組成一對(duì)法蘭，兩端均布設(shè)計(jì)有墊片凹槽，總槽深5.2mm，密封面帶水紋線;原設(shè)計(jì)墊片為金屬墊片，Ф81*Ф61*6.8mm，設(shè)計(jì)壓縮率23%;法蘭螺栓：M16*8顆，SN法蘭原設(shè)計(jì)時(shí)選取了彈性螺栓進(jìn)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(dòng)對(duì)螺栓強(qiáng)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(lái)污染物，都會(huì)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(duì)局部缺陷比軟墊片更。此處原設(shè)計(jì)為較硬的金屬墊片，若密封面存在無(wú)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(huì)下降，如果墊片回彈量小到不足以補(bǔ)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(shí)，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(yùn)行期間發(fā)生泄漏的法蘭進(jìn)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(yùn)行期間有所減小，墊片無(wú)法滿足實(shí)際運(yùn)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(jì)的密封形式不合理，所選墊片為金屬墊片，對(duì)法蘭密封面缺陷較為敏感，無(wú)法滿足溫度變化下有交變載荷的運(yùn)行工況。

3.法蘭密封形式改進(jìn)

3.1法蘭密封力核算：

日常期間法蘭發(fā)生泄漏時(shí)進(jìn)行緊固消漏的最大緊固力加載至180N.m，泄漏仍未消除，說(shuō)明密封面已經(jīng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)密封了，如果依靠提高緊固力矩來(lái)消漏，則可能導(dǎo)致法蘭、螺栓或墊片損壞，還對(duì)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(jì)算書》核算的結(jié)果如下：

1）對(duì)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(jí)來(lái)評(píng)價(jià)，各等級(jí)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(jí)的水平，滿足法蘭密封的要求。緊密度等級(jí)的行業(yè)劃分見圖2。

3.2法蘭墊片改進(jìn)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(chǎng)改進(jìn)前后墊片見圖4、圖5。

關(guān)于墊片尺寸的設(shè)計(jì)，需要考慮壓縮率，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了安裝試驗(yàn)。

2019年2月16日，聯(lián)系墊片廠家根據(jù)密封面實(shí)際尺寸并參考原金屬墊片尺寸，測(cè)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(jí)石墨，實(shí)測(cè)尺寸：Ф61.00*Ф81.00*7.20mm?，F(xiàn)場(chǎng)試裝按照180N.m力矩進(jìn)行安裝，安裝后檢查測(cè)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(cè)量壓縮后的墊片厚度為6.30mm，相對(duì)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(chǎng)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(jì)的墊片尺寸為Ф61.00*Ф81.00*6.10mm。

3.3現(xiàn)場(chǎng)改進(jìn)情況：

大修涉及拆裝的GPV系統(tǒng)SN法蘭共有6個(gè)，分別為：GPV0081/0381/1081/2081/0082/0481SN。此6個(gè)SN法蘭均使用了新設(shè)計(jì)的金屬齒形石墨組合墊片，現(xiàn)場(chǎng)完成SN法蘭安裝后，測(cè)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(lái)看，整個(gè)法蘭密封組件的尺寸配合非常好，墊片的厚度設(shè)計(jì)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(shí)施收益：

1）工藝質(zhì)量可控性提升：和原設(shè)計(jì)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(bǔ)償性也對(duì)密封面微小間隙實(shí)現(xiàn)良好補(bǔ)償，同樣的法蘭，使用改進(jìn)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(jìn)后墊片可消除日常期間的泄漏問題，無(wú)需增加帶壓堵漏的維修成本，也避免了高風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)，此設(shè)備日常無(wú)法隔離，日常發(fā)現(xiàn)泄漏沒有更換的機(jī)會(huì)只有高溫高壓情況下帶壓堵漏或者停機(jī)處理;

3）原墊片是美國(guó)進(jìn)口備件價(jià)格昂貴（RMB4557.81/個(gè)），新墊片為國(guó)產(chǎn)化墊片價(jià)格較低（RMB150/個(gè)），可以顯著減少后續(xù)備件采購(gòu)成本。

4.結(jié)論

決定螺栓連接法蘭密封有三個(gè)關(guān)鍵因素：零件質(zhì)量、法蘭設(shè)計(jì)和安裝。本次從現(xiàn)場(chǎng)故障情況進(jìn)行分析判斷，發(fā)現(xiàn)了法蘭泄漏的原因在于其設(shè)計(jì)存在不合理的情況。最終重新設(shè)計(jì)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(jì)中，有使用金屬石墨組合齒形墊片的實(shí)例，但此類墊片未在機(jī)械行業(yè)全面推廣應(yīng)用。此次技術(shù)改進(jìn)中所設(shè)計(jì)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(jìn)方案也為同類結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)的法蘭密封墊片改進(jìn)換型提供了思路和方法。

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作者簡(jiǎn)介：

柳小康（1993.3-），男，中廣核核電運(yùn)營(yíng)有限公司大修中心靜止機(jī)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(guó)浩（1988.8-），男，中廣核核電運(yùn)營(yíng)有限公司大修中心靜止機(jī)械分部陽(yáng)江項(xiàng)目隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)，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(yùn)營(yíng)有限公司大修中心靜止機(jī)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。