阀用柔性石墨金属波齿复合垫片密封失效分析及改进(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)华东理工大学 作者:刘洁

  对3.5MPa 边界阀法兰密封———柔性石墨金属波齿复合垫片密封的泄漏进行了密封失效分析,并提出了改进方案,解决了垫片密封短期失效问题。

1、前言

  某石化公司加氢裂化装置蒸汽管道系统中,3.5MPa边界阀法兰部位采用了柔性石墨金属波齿复合垫片密封,垫片规格为312×260×3mm。当蒸汽压力从1.5MPa、温度200℃上升至压力3.2MPa、温度260℃时,法兰密封处发生蒸汽介质泄漏,导致密封短期失效,随后2次更换了同批次垫片,该处均发生同样状态的蒸汽泄漏。为了避免类似事故发生,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)确定能否继续使用该垫片,对柔性石墨金属波齿复合垫密封失效原因进行调查分析,并对垫片的制造工艺进行改进。

2、密封失效情况及原因分析

2.1、系统工况

  加氢裂化装置是原料油在高温高压下与氢气进行裂解反应的装置。装置中3.5MPa 蒸汽管道系统分支较多,在高温状态下,热膨胀量大,常使管道受力不均,法兰处受到的扭矩作用较大,尤其在温度压力频繁波动情况下,管道法兰因受力而易产生偏口、错口,造成法兰垫片密封的强度大。原法兰也曾使用过软铁八角垫密封,但由于垫片补偿性差,也常发生泄漏。本次装置停工检修后,法兰采用了柔性石墨金属波齿复合垫密封,但在装置压力温度波动后仍发生了蒸汽泄漏。

2.2、垫片失效检查

  2.2.1、垫片表观检查

  现场拆卸下来的垫片两密封面破损严重,有的部位已失去柔性石墨材料的覆盖,表面暴露出金属波齿的齿尖,柔性石墨复合层已沿波谷弧线凹陷,内径边缘有多处鼓泡,并沿直径方向向外沿伸。垫片的金属波齿结构比较完整,没发现被压损的裂痕,内外径尺寸经测量变化不大。

  2.2.2、原垫片力学密封性能测试

  按照GB/T19066.3-2003《柔性石墨金属波齿复合垫片技术条件》的规定,参照GB/T12622-2008《管法兰垫片压缩率、回弹率的试验方法》和GB/T12385-2008《管法兰垫片密封性能试验方法》对原工艺生产的同批垫片进行了压缩回弹性能、密封性能测试。

  (1) 原垫片压缩回弹性能测试

  原垫片压缩回弹性能测试结果见表1。

表1 原合垫片压缩回弹性能测试结果

原合垫片压缩回弹性能测试结果

  由表1可以看出,垫片的压缩率远低于标准要求,表明垫片复合的石墨层较薄,降低了垫片可压缩密封性能。

  (2) 原垫片压力循环密封性能试验

  按照现场工况条件,垫片预紧压力35MPa,介质压力:1.0MPa→4.5MPa→1.0MPa→4.5MPa→1.0MPa→4.5MPa→1.0MPa,进行压力循环密封试验,试验结果如表2,图1。

表2 原垫片最大密封泄漏率试验结果(ml/s)

原垫片最大密封泄漏率试验结果

压力循环对密封泄漏率的影响

图1 压力循环对密封泄漏率的影响

  表2、图1表明,垫片在第一次压力循环中,密封泄漏率勉强达到标准值一级,垫片表现了较弱的密封能力。第二、第三次压力循环中,垫片密封力急剧下降,密封泄漏率快速上升,垫片已无法满足密封要求。

2.3、失效原因分析

  综合分析装置系统工况条件、失效垫片表观情况及同批次垫片性能测试结果认为,造成3.5MPa 边界阀法兰密封失效的主要原因是: 垫片石墨复合层存在缺陷,降低了柔性石墨金属波齿复合垫片可压缩密封力,保证不了垫片的密封性能。

  2.3.1、柔性石墨复合层厚度选配不合理

  柔性石墨材料在垫片组合结构中起着柔弹可压缩和密封作用。垫片表观检查结果说明,当垫片石墨复合层的厚度和密实度不足时,垫片承压后,表面石墨层断裂并下陷入金属波齿波谷内,造成波齿尖突出石墨层而外露,失去密封作用,密封力下降,导致垫片密封失效。

  2.3.2、柔性石墨复合层粘贴不牢

  当石墨层与金属波齿粘贴不牢时,蒸汽易从复合层的间隙中渗透泄漏。虽有波齿波谷的阻隔作用,在系统温度、压力的波动下,压力蒸汽仍容易沿垫片内径边缘向外沿伸,导致蒸汽泄漏,垫片表面许多鼓泡就是由此产生的。

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