中石化金陵分公司  楊樹人  黃鑫  廣州市東山南方密封件公司  吳樹濟  鐘海強 

   摘要：工程建設中難免出現復雜情況，裝置運行中難免出現壓力和溫度的波動，現有的墊片的密封性能已難以滿足這些要求。近期由廣州市東山南方密封件公司研制開發(fā)的專利產品－雙金屬自密封波齒復合墊片是一種具有“壓力自密封”特性的新型墊片。本文介紹了該墊片在中石化金陵分公司的幾個裝置上的成功應用實例，表明該墊片為解決目前石化裝置的泄漏難題提供了很好的方法。

關鍵詞：密封，墊片，壓力自密封，雙金屬自密封波齒復合墊片。

一．前言

   隨著石油化工裝置的大型化和高參數，裝置的各種設備（包括管道系統(tǒng)）的通徑尺寸越來越大，操作溫度和壓力也越來越高，因而對墊片的性能要求也越來越高。我公司近幾年以來新建的個別大型裝置由于法蘭聯接泄漏而影響裝置的正常投產和生產。在運裝置由于壓力和溫度的波動，設備經常出現泄露，頻繁更換墊片不僅增加設備維修成本而且影響裝置的安全生產。在現有各種墊片性能無法滿足使用要求的情況下，通常采用安裝碟型彈簧補償裝置，但價格相對較高，或者采用帶壓堵漏的方法解決。為此，我們一直希望能找到一種高性能的墊片以便更好地解決裝置的泄漏難題。

   2008年底，我公司新建的某大型裝置開工投產。部分法蘭密封泄露，影響到裝置正常開工，我公司使用了廣州市東山南方密封件公司的雙金屬自密封波齒復合墊片，泄漏問題獲得解決，裝置得以順利投產。由此，我們感到這種新型墊片有可能用來解決在運裝置的泄漏難題。

   我們從了解到，雙金屬自密封波齒復合墊片是廣州市東山南方密封件公司研制開發(fā)的最新專利產品。眾所周知，現有墊片是按“強制密封”原理設計的，也就是說，這些墊片在使用時都是通過強有力的螺栓力將法蘭拉緊,在墊片上形成足夠的墊片應力來能達到密封的。一旦原有的墊片預緊應力降低，至一定程度時就會發(fā)生泄漏。而在實際的法蘭聯接中，墊片預緊應力降低的原因是多種多樣的。例如墊片材料本身的蠕變松弛特性引起的墊片預緊應力下降，或者墊片使用時由內壓力所形成的軸向力使兩法蘭面發(fā)生分離而使墊片應力下降，或者法蘭聯接中聯接件（如聯接螺栓）與被聯接件（如法蘭，墊片等）在溫度發(fā)生變化時其變形不協(xié)調而引起墊片應力的減少等等都會使原有的墊片預緊應力減少。因此，實際上只要使用目前按“強制密封”原理設計制造的墊片，上述這些問題幾乎是不可避免的。但雙金屬自密封波齒復合墊片則完全不同，它是按“壓力自密封”原理設計的。它的最大特點是利用被密封介質的壓力來補償和提高操作狀態(tài)下的墊片應力，從而使墊片能始終保持其密封性。該復合墊片已獲得國家專利授權^（1）。雙金屬自密封波齒復合墊片在構造上與現有的其他復合墊片（諸如纏繞墊、高強石墨復合墊）完全不同，也不同于作者90年代發(fā)明的專利產品－柔性石墨金屬波齒復合墊片。雙金屬自密封波齒復合墊片是由兩片金屬疊合后，在其外（內）圓周通過熔焊方法將兩者融合在一起而形成整體結構的“壓力自密封”金屬骨架，金屬骨架上下表面加工有特殊設計的波齒狀溝槽，特殊結構骨架的外表面復合上適當厚度的柔性石墨材料，最終構成了雙金屬自密封波齒復合墊片。該墊片內圓面（外圓面）的開口與介質接觸，能夠隨著介質的波動而實現密封補償。雙金屬自密封波齒復合墊片的基本結構如圖所示。

1. 60萬噸/ 年 PX 新建裝置

   我公司新建的 60萬噸/年 PX裝置于2008年11月投產試車。在試車過程中發(fā)現有5種規(guī)格的法蘭聯接點發(fā)生泄漏而影響到新裝置的投入使用。這五種規(guī)格的法蘭參數分別為R101出口管法蘭（PN 10.0 DN 600 法蘭面型式RF），E101循環(huán)氫入口管法蘭 （ PN10.0 ， DN 400 法蘭面型式 RF），E101冷料出口副線法蘭（PN10.0 ， DN150  法蘭面型式 RF），E101熱料入口副線法蘭（PN11.0  DN 600 法蘭面型式 MFM ），E101熱料出口副線法蘭（PN 11.0 ， DN500 法蘭面型式 MFM）。系統(tǒng)設計溫度為505 ℃ ,操作溫度為330 ℃，介質為氫氣、輕烴等。

   按設計要求，該裝置曾三次更換纏繞式墊片以及波齒復合墊片等，但仍然無法密封，有時甚至連試水壓都打不上。這說明，這些法蘭聯接點本身存在問題而影響到密封。在這種情況下，我公司與廣州市東山南方密封件公司聯系，希望他們能提供性能更好的產品。該公司當即決定試用其最新專利產品－雙金屬自密封波齒復合墊片，產品到達后即時安裝，并進行水壓試驗，由2.0MPa至20.0MPa均一次打壓成功。接著分別進行氮氣和氫氣氣密性試驗：氮氣氣密試驗，從0.5MPa、1.0MPa直至1.5MPa三次試驗，均能密封。接著再做氫氣氣密性檢驗，壓力分別是0.5MPa、1.0MPa、2.0MPa、3.0MPa，四次氣密試驗都沒有發(fā)現任何泄漏，墊片密封效果非常好，隨即裝置投料開車順利投產。該墊片使用至今已超過2年，密封效果很好。

2.運行三部一工區(qū)Ⅲ焦化裝置

   金陵石化分公司運行三部一工區(qū)III焦化裝置的T3101AB頂部大油氣管線第一道和第三道法蘭（DN 600,PN5.0），管道內介質是油汽、瓦斯，此法蘭處介質溫度達到420 ℃，壓力是0.23 MPa。在裝置正常生產時，由于兩座焦碳塔互相切換生產，因此T3101AB頂部大油氣管線法蘭處操作條件在24小時內由常溫、常壓驟升至溫度達到420 ℃，壓力為0.23 MPa的使用狀況。在溫度、壓力波動使該處法蘭連接更易出現泄漏、冒煙的情況。裝置自2004年12月投用以來，此處法蘭之間的密封泄漏就一直存在，即使采用碟形彈簧裝置也無濟于事。在這種情況下我們不得不每隔一個星期左右就要更換墊片，因而嚴重地影響生產。 2009年8月，在我公司了解到新建的60萬噸/年PX裝置使用了廣州市東山南方密封件公司研制生產的專利產品－雙金屬自密封波齒復合墊片并取得很好效果的基礎上，我們針對焦化塔（T3101A/B）頂部大油氣管線法蘭的密封問題提出了墊片升級的方案，將普通墊片更換成雙金屬自密封波齒復合墊片，并于2009年10月到現場進行安裝試用，密封效果非常好，連續(xù)使用3個多月沒有出現任何泄漏情況。車間表示非常滿意。隨后于2009年底又將焦化塔（T3101A/B）頂部大油氣管線出來的第二道法蘭的墊片改用了雙金屬自密封波齒復合墊片，同樣取得很好的效果。

3.煉油運行一部Ⅲ套常減壓裝置

   煉油運行一部Ⅲ套常減壓裝置（800萬噸/年）自2004年完成改造建設開車以來，該裝置的一些重油、渣油系統(tǒng)的設備法蘭一直都存在各種各樣的密封難點。如初底油、渣油換熱器E5-103/1-3（BES1200－4.0－6/25－2Ib；管程溫度275～294℃，壓力 1.13 MPa；殼程溫度384～295℃，壓力 2.45 MPa），其法蘭之間的密封問題就很突出。當裝置的操作壓力、溫度波動時就會出現泄漏、冒煙的情況，因而存在非常大的安全隱患。從2004年裝置投用以來，經常拆法蘭換墊片，公司曾設法尋找更換性能和質量更好的墊片，但收效都不大。長此以往，不僅使生產裝置存在嚴重的安全隱患，還增加維修工作量和生產成本，現場面貌難看。2009年底，在該換熱器上采用廣州市東山南方密封件有限公司的專利產品－雙金屬自密封波齒復合墊片代替原來的墊片，2010年初安裝試用，效果非常好，至現在已有超過一年多，這期間沒有出現任何泄漏情況。

4. 2# 150萬噸/年加氫裂化裝置

（1）柴油/原料油換熱器E1014/DN1600（管程1.20/殼程0.9MPa,管程236/212℃殼程134/160℃）、（2）循環(huán)油/第一分餾塔進料換熱器E1015（LBEU1200-1.6-395-6/25-4, 管程/殼程1.0/0.82MPa,管程/殼程392/320℃）

（3）脫丁烷塔底重沸器E1017(BIU1200－2.5/2.5－394－6/25－2)

（4）航煤/脫丁烷塔進料換熱器E1021(φ1100*8535*16,管程1.15MPa；殼程1.60MPa；管程208/120℃；殼程47.4/146℃）

（5）分餾爐出入口管線法蘭PN5.0DN150；介質實際溫度380℃；壓力0.7-1.0MPa（塔底油管線墊片共30件）。

   以上各設備及管線法蘭自2005年裝置開工以來就經常發(fā)生泄漏，是該車間的老大難問題。有時工況操作稍微波動就發(fā)生泄漏，尤其是E1014和分餾爐出入口管線墊片,當操作稍微有波動（甚至是下雨天）,溫度一有變化就經常發(fā)生泄漏、甚至冒煙著火等現象，非常危險。由于油料溫度很高（塔底油溫度更是高達380℃），高溫油品的泄漏給生產造成很大的安全隱患。為此公司機動處和車間曾經也通過各種方法來解決，如更換各種墊片，但效果都不太理想。2010年3月份該裝置檢修時,公司決定對以上四臺換熱器及分餾爐出入口管線上的法蘭安裝自密封雙金屬波齒復合墊。投用后密封效果很好，至現在已有一年多時間，不再有任何泄漏現象，這期間曾經過開停工和多次工藝操作波動，均未發(fā)生任何泄漏，效果非常好。

5.從2008年底我公司新建某大型裝置試用雙金屬自密封波齒復合墊片成功解決了該裝置的密封難題起，到我們在三個在運裝置試用，解決老大難問題，我們逐漸體會到雙金屬自密封波齒復合墊片確實能解決我們石化行業(yè)的密封難題。因而在這兩年多時間里，我們逐步擴大雙金屬自密封波齒復合墊片在我公司的應用。至目前為止，我公司已在新建某大型裝置的5個規(guī)格管線法蘭、800萬噸常減壓裝置2臺換熱器和5個規(guī)格管法蘭、2011年大修的1#常減壓裝置6臺換熱器、焦化裝置5臺換熱器及焦化塔大油氣管線法蘭、150萬噸加氫裂化裝置4臺換熱器和分鎦爐出入口管線法蘭、12萬M³/年水煤漿制氫裝置4臺換熱器安裝使用了該專利墊片，均成功地解決了這些設備和管線法蘭的密封難題。

一．新型雙金屬自密封波齒復合墊片的性能特點及其適用場合

   根據新型雙金屬自密封波齒復合墊片的工作原理、材料和結構特點以及我們的實際試用效果，我們感到該專利產品具有以下性能特點：

 1. 優(yōu)異的密封性

   正如以往的柔性石墨金屬波齒復合墊片那樣，雙金屬自密封波齒復合墊片表面同樣采用眾所周知的密封性能優(yōu)異的柔性石墨作為復合層，因而其密封性能特別優(yōu)秀。特別是其特殊設計的波齒狀結構骨架，其金屬齒峰更起到多道金屬線密封作用，而圓弧形溝槽上填充的柔性石墨材料不僅具有很好的密封貼合性而且能很好地補償法蘭表面的微觀缺陷，因此墊片能像以往的柔性石墨金屬波齒復合墊片一樣具有金屬線密封和柔性石墨密封的雙重作用，使它在較低的墊片應力下即能達到極高的密封性^{（2）（3）（4）（5）（6）}。尤其是它的“壓力自密封”作用使介質內壓形成的附加應力是直接作用于密封表面的任何點上的（這與螺栓力通過法蘭作用于密封表面上是不同的，因為法蘭的剛性無法將螺栓力傳遞到密封面的凹下部位），因此能使密封面上任何凹下部位的應力都能得到提高和補充，因而能使密封面上包括凹下部分的任何部位都得到良好的密封。

 2.“壓力自密封”結構使它能長期保持密封。

   由于雙金屬自密封波齒復合墊片的骨架設計成“壓力自密封”結構，在操作狀態(tài)下壓力介質會變成附加的墊片應力，它隨介質壓力的存在而存在，最高可以達到介質的壓力值。因此，在墊片的預緊應力不管是因墊片本身的特性（如應力松弛）還是因介質壓力的升高或操作溫度的波動等各種原因而減少時其墊片應力都會得到補償和加強，從而使墊片始終保持高的墊片應力，因而其密封性能比現有的其他墊片更能得以長期保持。甚至在螺栓初始預緊應力接近消失的極端情況下，由于其“壓力自密封”作用所形成的相當于介質壓力的墊片應力的存在，墊片仍能保持一定密封性。

    3. 安全可靠性高

   雙金屬自密封波齒復合墊片的骨架是整體金屬的，結構牢固，安全可靠。特別是它像普通柔性石墨金屬波齒復合墊片一樣的波齒狀結構能使柔性石墨被緊密地封閉在金屬骨架的凹槽與法蘭面之間，從而使它具有像金屬墊片一樣的安全可靠性。由于它整體結構牢固，因而它克服了纏繞式墊片在高應力時容易被“壓潰”或“失穩(wěn)”而損壞的缺陷。

  4. 使用安裝方便

   雙金屬自密封波齒復合墊片的整體剛性結構使它在運輸和安裝過程中不必擔心像纏繞式墊片那樣會“散架”，這對大直徑管法蘭和容器、換熱器法蘭尤其有利，而且它具有多種定位方式使它安裝極為方便。

  5. 適應性廣

   雙金屬自密封波齒復合墊片具有廣泛適應性，只要選用相應的金屬骨架材料就能用于各種工作場合。它既可用于低溫（至－196℃）和高溫(至600℃)，也可以用于低壓和高壓(42.0MPa)，亦可用于幾乎所有腐蝕性流體的各種場合。而且特別適用于溫度和壓力波動的場合、大直徑管法蘭和容器（換熱器）法蘭、以及對密封性要求較高的重要場合。

   由此可見，我們認為，雙金屬自密封波齒復合墊片的研制成功，以其獨特而優(yōu)異的性能將為徹底解決各種裝置（尤其是大型化，高參數的裝置）的設備、換熱器和管道的法蘭聯接泄漏難題提供非常有效的方法，可廣泛用于石油，化工作為各種設備（如容器、換熱器等），管道和閥門的法蘭聯接的理想密封元件。尤其在高溫高壓場合，壓力溫度波動變化的場合，法蘭尺寸較大的場合和對密封性要求較高的重要場合下使用，更能充分顯示雙金屬自密封波齒復合墊片的優(yōu)異性能，從而為企業(yè)真正做到“安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)”生產提供切實的保證。

參考文獻

（1）實用新型專利： 《復合墊片》（專利號：ZL200720053323.3）

                      專利發(fā)明人：吳樹濟  劉秀英

(2) 實用新型專利：《改進型金屬－膨脹石墨復合墊片》  （專利號：90215559.8）

               專利發(fā)明人：吳樹濟

（3）實用新型專利：《換熱設備復合墊片》    （專利號：92215173.3）

               專利發(fā)明人：吳樹濟

（4）中國石油學會石油煉制委員會、中國石化設備管理協(xié)會、中國石化總公司重大設備國產化辦公室      第六屆石化設備密封學術討論會論文 （1994年）

《波齒復合墊片及其在石化設備上的應用》

                    廣州市東山南方密封件公司  吳樹濟（高級工程師）

（5）中國石油學會石油煉制委員會、中國石化設備管理協(xié)會、中國石化總公司重大設備國產化辦公室     第七屆石化設備密封學術討論會論文 （1996年）

     《新一代法蘭墊片－波齒復合墊片在石油化工設備上應用的新進展》

                       廣州市東山南方密封件公司 吳樹濟（高級工程師）  鐘海強

  （6）《波齒復合墊片及其應用》

             （內部匯總資料）（2010年5月）      廣州市東山南方密封件公司