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，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。
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。
3、改进方案与实施
通过失效原因分析，提出了垫片制造技术改进方案。
3.1、柔性石墨材料复合层厚度的优选
柔性石墨层复合工艺过程中，应注意以下2个方面: 一方面在柔性石墨材料复合承压后，金属波齿尖不应突出石墨层而外露，以避免由此降低或破坏柔性石墨层的密封作用。另一方面在柔性石墨材料复合时应注意填实金属波齿结构的波谷，以防止形成波谷的空隙，而影响垫片的压缩和回弹性。基于以上考虑，选择了不同厚度的柔性石墨板材复合后进行压缩回弹性能试验，
根据GB/T19066.3-2003《柔性石墨金属波齿复合垫片技术条件》的要求，综合考虑，垫片加工工艺最终选定垫片石墨复合层厚度为1.5mm。
3.2、高温粘结与预压复合
为了提高柔性石墨材料层与金属波齿在高条件下的粘结牢度，改用高温粘结剂。在柔性石墨层粘贴后，为促使柔性石墨材料充分地填实波谷空隙，提高垫片复合效果，增强垫片承载能力和回弹性能，垫片加工工艺过程增加了一道预压工序，预压应力为10MPa。
3.3、改进后的波齿复合垫片力学密封性能试验
依据原垫片进行压缩回弹和密封性能测试试验标准和条件，对改进后工艺生产的垫片产品进行了力学密封性能测试，结果见表4。压力循环密封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，工艺改进后生产的柔性石墨金属波齿复合垫片产品具有良好的压缩回弹和密封性能，达到并超过了GB /T19066. 3-2003《柔性石墨金属波齿复合垫片技术条件》的要求。表5、图2 压力循环密封试验结果表明，生产工艺在保证垫片金属波齿结构的基础上[3]，改进了石墨层的复合技术，进一步发挥了柔性石墨材料在波齿垫片结构中的密封功能，增强了波齿垫片的组合密封性能，从而提高了柔性石墨金属波齿复合垫片产品在压力波动条件下的密封可靠性。
4、结语
通过3.5MPa 边界阀法兰用柔性石墨金属波齿复合垫片密封失效的分析，对复合垫片制造加工工艺技术进行了改进，新工艺生产的垫片产品已用于加氢裂化装置蒸汽管道系统，密封效果良好，解决了3.5MPa 边界阀法兰密封短期失效问题。