垫片密封失效分析及垫片的选用

中德密封

垫片密封失效分析及垫片的选用


赵春梅


在石油化工生产中，垫片密封性能的优劣，直接关系到装置的长周期安全运转。随着生产运转周期要求的越来越长、工艺操作条件的越来越苛刻，垫片密封失效导致的泄漏问题也暴露的越来越明显。在装置中有时为了解决垫片失效泄漏问题，有时不得不将法兰连接处焊死。文中阐述了提高垫片密封性能的措施，合理的解决垫片密封失效问题。


垫片密封失效的原因分析


垫片密封失效主要表现在密封面间的泄漏。由垫片本身的毛细管作用而发生渗漏的可能性很小。垫片靠外力压紧后，垫片靠本身的回弹性填满密封面上微小的凸凹不平的间隙，当介质通过密封面的阻力大于密封2侧的压差时，即达到密封。但受到外界条件影响时，密封受到破坏，从而使垫片密封失效产生泄漏。垫片密封失效的原因主要有5个方面。


介质的操作参数问题


操作参数即介质的压力、温度及介质的理化性质。石油化工生产中的大多数介质操作条件都是中、低压，往往单纯的压力和介质因素对垫片泄漏的影响并不是很大，只有在操作压力、操作温度和介质理化特性联合作用时，才会导致垫片密封失效问题。


介质在高温下粘度小，渗透性强，易促成渗漏。常温下粘度大的蜡油、重油等，在高温时有很强的渗透性，对垫片的腐蚀作用也加剧。同时在高温时，法兰、 螺栓和垫片可能发生蠕变和应力松弛，致使密封松懈，密封比压下降。一些非金属垫片在高温下加速老化或变质，甚至被烧毁，回弹量将下降，这样势必影响密封。又由于密封组合件各部位的温度不同，热膨胀不均匀，增加了垫片密封失效的可能。若温度反复变化时，密封失效的可能性更大。


螺栓预紧力不当


螺栓预紧力与垫片的密封能力有很大的关系。预紧力过小，垫片没有压紧会造成泄漏，过大的螺栓预紧力，会使垫片失去弹性而发生塑性变形，甚至会将垫片压坏或挤出，导致密封失效。螺栓预紧力的大小在于垫片系数与预紧比压值的选择及其准确性，实际安装中，控制螺栓预紧力的大小很难，螺栓拧紧顺序不当，也可造成垫片弯曲变形或缠绕垫片解体。


另外，在装置开工升温过程中，由于螺栓热膨胀，如果不及时对法兰螺栓进行预紧，也会导致间隙过大而产生泄漏，一旦泄漏，高温热介质喷出，会造成垫片表面损坏，导致垫片失效。


垫片在使用一段时间后还应再紧1次螺栓，这对高温和有温度冷热循环变化的使用场合尤为重要。


垫片材料不匹配


垫片材料是影响垫片性能的主要因素，垫片材料应当致密，不易浸渍介质。适宜的垫片变形和回弹力是形成密封的必要条件，垫片变形包括弹性变形和塑性变形。同时可耐受温度、压力波动和介质腐蚀，如果垫片材料具有良好的弹性和柔软性，就能很好地与密封面吻合，不因低温而硬化，也不因高温而软化或塑流，自然密封效果好。


法兰刚度、 法兰与垫片的硬度差问题


法兰因刚度不足而产生过大的翘曲变形，往往是导致垫片密封失效的原因之一。刚度大的法兰变形小，并可使螺栓预紧力均匀地传递给垫片，提高垫片密封性能。但法兰刚度与很多因素有关，其中增加法兰厚度，减小螺栓中心圆径，都能提高法兰抗弯刚度及抗变形能力。


垫片的硬度应低于法兰硬度，在允许范围内，二者之间相差越大，实现密封就越容易。


密封面没有达到相应要求


法兰密封面的形状和粗糙度应与垫片相配合，一般与金属垫圈接触的密封面，要求尺寸精度很高，粗糙度在Ra6.3～3.2，而软质垫片的密封面精度可低些，粗糙度Ra25～12.5即可。但密封面必须避免径向机械刻痕、毛刺和其他机械损伤。


密封面的平直度和密封面与法兰轴线的垂直度是保证垫片均匀压紧的前提，因此在设计、安装时必须考虑管线热膨胀造成的推力或偏心力的影响。


密封面不洁净，有机械损伤和腐蚀损坏以及残留的旧垫片，也会导致垫片密封失效。


预防垫片密封失效的措施


由于垫片密封失效问题轻则引起静密封点的跑、冒、滴、漏，严重者可能造成装置停工，甚至造成重大的火灾、爆炸、中毒等安全事故。要防止垫片失效，必须注意3个方面的问题。


（1）合理选用垫片


合理选用垫片，必要时将垫片升级使用对于输送易燃、易爆、剧毒及强腐蚀介质的设备、容器、管线上，不允许使用石棉橡胶垫片，应根据操作条件来提高垫片的耐温、耐压等级，即选用更高温度压力等级的垫片；对于有应力松弛，压力、温度波动的介质，即使中低压场合，也应选用具有良好的回弹性的耐高温高压的缠绕式垫片。使用金属垫片时，应在完全退火的状态下使用，尽可能选用较软的金属材料，金属垫片的硬度宜比法兰硬度低HB30～40。


（2）正确的安装垫片


安装时垫片和法兰表面要保持洁净；应检查垫片表面是否有径向的划痕，法兰表面粗糙度是否合适，法兰面的凸台是否对准；密封平面的平行度是否满足使用垫片型式的要求；检查垫片的形式、材料、尺寸和螺栓是否符合规定的要求；安装时将垫片放人正确的位置，螺栓须对称逐渐拧紧，如需一定的螺栓应力，则应使用力矩扳手，以获得正确的螺栓预紧力。


（3）垫片应合理储存


非金属垫片必须储存于干燥凉爽的地方，不要直接暴露于阳光下或有臭氧的地方，应该平放而不能挂在钩上，储存期超过2a须检查是否已经变质；储存垫片的箱盒必须标明垫片的材料、形式、尺寸、及温度、压力等级等技术数据，以免用错。


垫片的选用原则


由于垫片的实际工作条件比较复杂，要恰如其分地选择好垫片并不太容易，在通常情况下，能基本满足使用要求即可。因此，必须按实际工作条件来选用。


（1）操作参数。选用垫片时，必须对垫片的密封性能、介质的压力、温度物化性质以及法兰密封面的形式、结构的繁简、装卸的难易、经济性等诸因素进行全面分析。其中介质特性、操作温度和操作压力是造成密封失效的主要因素，是选用垫片的主要依据。


（2）垫片的类型。一般情况下，应根据被密封介质的操作温度、操作压力来确定。对高温高压介质多采用金属垫片；对常压、低压、中温介质，多采用非金属垫片；介于2者之间的，多采用半金属组合垫片；对于温度、压力波动频繁的场合，宜采用回弹性好的缠绕式垫片。


（3）垫片的厚度。如果密封面加工良好，压力不太高时，宜采用薄垫片。 压力较高时，垫片太薄回弹性太小，会因不能达到必要的复原量易产生泄漏，一般情况下垫片的厚度在3mm左右为宜。


（4）垫片的宽度。垫片越窄越易夹紧，但宽度下限有限制。 通常宽度应大于5mm。 对金属垫片，为了不产生过大的螺栓力，取较小的宽度是一个重要遵循的准则。


（5）垫片的材料。由于垫片在工作时，与操作介质接触，直接受介质、 压力、 温度等因素的影响，因此选用垫片时，垫片的材料应满足要求：良好的弹性和复原性；适当的柔软性；不污杂介质，不腐蚀密封面，耐介质腐蚀；良好的物理性能，不因低温而硬化脆变，不因高温而软化塑流；良好的加工性能。


（6）选用垫片时应尽量简化规格，减少品种，垫片规格和材料品种越少越便于管理，所以选用垫片时，除应考虑满足使用要求外，应尽量减少规格，切忌不必要的多样化。

结束语


石油化工介质种类繁多，垫片密封失效是一个比较复杂的问题。垫片密封失效不仅会造成巨大的经济损失，而且会污染环境，甚至酿成重大事故。 只有合理选材、正确安装、安全操作，提高法兰、垫片、螺栓质量，认真执行标准和规范，才能保证生产装置安全稳定的长周期运行。

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