阀用柔性石墨金属波齿复合垫片密封失效分析及改进
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
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)
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。
