高溫閥門法蘭密封泄漏分析及處理

莊春龍，周 強，何 雄、王方舟

（中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院，四川綿陽 621000）

0 引言

高溫閥門主要是在某試驗設施的空氣加溫系統(tǒng)上使用。離心式壓縮機組出口的空氣經(jīng)過管式加溫爐加熱后通過高溫閥門供入用氣設備，介質為壓縮空氣，最高溫度為500℃，最高壓力2.5 MPa。閥門都是采用法蘭連接，密封墊片采用金屬石墨纏繞墊。由于介質為高溫高壓氣體，一旦泄漏會造成人員傷亡及財產(chǎn)損失。因此解決高溫閥門法蘭泄漏問題意義重大。

1 泄漏情況

加溫系統(tǒng)的運行方式是間歇性運行，每次運行時間約8 h，每次運行主要是升溫、恒溫、降溫3個步驟。在使用過程中泄漏的表現(xiàn)方式是密封墊片破損造成介質泄漏，經(jīng)拆去保溫層、更換密封墊片并將螺栓緊固后，泄漏情況得到控制，但使用幾次后又出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象，不能完全解決法蘭泄漏問題。

2 原因分析

法蘭連接系統(tǒng)是螺栓、法蘭、墊片連接的整體，法蘭的密封性能是靠三者的共同作用來實現(xiàn)的，其中墊片是實現(xiàn)密封的核心部件。通過螺栓的預緊力，墊片和法蘭密封面之間產(chǎn)生足夠的壓力，使墊片產(chǎn)生相應的變形來填補法蘭密封面的微觀不平度，達到密封的目的。高溫閥門法蘭泄漏主要有以原因。

2.1 墊片的性能影響

由于承受較大的預緊應力，墊片會產(chǎn)生蠕變和應力松弛現(xiàn)象，且發(fā)生這種現(xiàn)象的機率隨溫度的升高而增大，這種現(xiàn)象在升溫過程中是逐漸變化的。目前高溫閥門使用的是金屬石墨墊片，但剛度較差，抗螺栓過載能力相對較弱。

2.2 高溫高壓的影響

（1）高溫高壓會降低墊片的回彈能力和實際密封性能，是影響法蘭密封的主要因素之一。

（2）就法蘭螺栓結構來看，升溫過程中法蘭環(huán)從內到外存在一定的溫度差，因熱量是從法蘭內壁向外壁傳遞的，法蘭中靠近外壁部分的溫度變化比內壁滯后一段時間。升溫初期，法蘭接管受熱升溫比法蘭環(huán)快得多，兩者熱漲量相差較大，接管的進一步膨脹受到法蘭環(huán)的約束，從而使法蘭產(chǎn)生較大的向外張口角。

（3）高溫系統(tǒng)在升溫時，螺栓升溫滯后，法蘭升溫較快導致法蘭變形，墊片內側被進一步壓縮，墊片應力增加，同時變形過大會使墊片產(chǎn)生塑性變形而降低了墊片的回彈能力。

2.3 升溫速率影響

（1）由于新技術的應用，加溫爐的溫升速率較原加溫爐有明顯的提升，達到350℃/h。瞬間升溫過快，墊片會在短時間內被過分壓縮，失去部分回彈能力，同時使法蘭產(chǎn)生了較大變形而降低了密封能力。此外，法蘭內也會產(chǎn)生較大的不利于密封的瞬態(tài)熱應力，瞬間降溫幅度過大同樣也會使法蘭在瞬間發(fā)生較大變形，并產(chǎn)生較大的瞬態(tài)熱應力造成泄漏。

（2）溫度升降過快會導致管道、法蘭、墊片、螺栓之間的溫差加大，它們的應力、應變不能在瞬間完成相互的協(xié)調變化，導致法蘭密封性能下降甚至失效。

2.4 螺栓緊固的影響

（1）螺栓預緊的作用是通過螺栓的預緊力使法蘭壓緊墊片，使墊片產(chǎn)生變形，從而實現(xiàn)法蘭系統(tǒng)的密封，使墊片壓緊并實現(xiàn)系統(tǒng)的密封性能。在一定范圍內，預緊力越大，墊片的塑性變形越大，墊片與法蘭面貼的越緊，密封越好。預緊力不能過大，過大會導致墊片過度變形，而失去回彈能力，喪失密封性能。

（2）在螺栓緊固過程中，要保證螺栓預緊力均勻。如果法蘭面上的螺栓預緊力不均勻，會導致密封墊片上的預緊應力不均勻，應力最小的地方就成為了密封的最薄弱環(huán)節(jié)，而墊片上應力最大點有可能超過墊片的壓潰強度導致密封墊的損壞，這些都是運行過程中潛在的泄漏點。在實際的螺栓緊固的過程中，受制于現(xiàn)場操作空間和操作人員水平的問題，沒有采用正確的螺栓上緊順序(十字交叉等距對稱)，大部分螺栓緊固都是采用順序緊固，導致各個螺栓的預緊力不一樣，這也是法蘭多次泄漏的原因之一。

2.5 建模分析

（1）對系統(tǒng)內經(jīng)常泄漏的一個典型閥門進行建模分析，閥門尺寸與結構按照廠家資料給出。模型邊界條件：閥門工作溫度410℃，法蘭外壁120℃。閥門安裝在水平管道上，一端是固定連接，另一端無穩(wěn)定的固定形式，由于通過彎頭補償在擬合時不便建立模型，且管段最后有補償器，擬合不便，目前取2個彎頭旋轉對稱面固定來給予約束。環(huán)境溫度22℃。

（2）圖1為墊片的應變分布圖，這里的剖分面為石墨墊片中面。對于墊片而言，其最大應變點出現(xiàn)在墊片上部，與閥門的實際泄漏位置相符。

（3）圖2為墊片應力分布云圖，應力由于螺栓的布置而出現(xiàn)波動，但整體趨勢較明顯，從圖2中可以看出，墊片應力的最大點出現(xiàn)在墊片上、下兩個部分。

（4）圖3為螺栓應力分布圖，從圖3中可以看出，螺栓應力的最大點出現(xiàn)在閥門頂部法蘭連接的螺栓處。左右兩邊的法蘭有明顯的開口現(xiàn)象。

根據(jù)上述分析結果，墊片應力和應變最大的點都在上部，與現(xiàn)場法蘭泄漏的實際情況相吻合。

圖1 墊片應變分布云圖

圖2 墊片應力分布云圖

圖3 螺栓應力分布云圖

3 處理措施

3.1 更換密封墊片

（1）金屬石墨墊片不能在高溫高壓條件下反復使用過程中保證密封性能，將其更換為波齒型復合墊片。

（2）波齒型復合墊片適用于墊片回彈要求較高的場合，它有極好的熱傳導，能滿足高溫、高壓及易腐蝕的使用環(huán)境。墊片的骨架是金屬材料，通過機械加工的方式在金屬骨架的上下表面加工出相互錯開的拋物線型溝槽，在溝槽內模壓出一定厚度的柔性膨脹石墨。墊片的密封屬于線性密封，金屬骨架具有很好的回彈性，在螺栓預緊力的作用下，石墨充滿法蘭面和溝槽之間，形成多道膨脹石墨密封圈，達到了對空氣的密封效果，保證了系統(tǒng)的密封性能。2種墊片性能對比情況見表1。

表1 2種墊片性能對比

3.2 更換螺栓

在之前的檢查過程中發(fā)現(xiàn)，不銹鋼螺栓出現(xiàn)了拉伸、彎曲變形的現(xiàn)象，在處理過程中，選用高強度螺栓，將法蘭緊固件（包括螺栓、螺母、平墊、彈墊）材質由不銹鋼改為35CrMo，對螺栓施加更大的預緊力，從而保證法蘭的密封。

3.3 改善螺栓預緊技術

采用2把液壓專用扳手同步對稱把緊螺栓，并采用十字對稱的順序進行預緊。螺栓的預緊扭矩采用推薦值，保證所有螺栓的預緊力一致。法蘭之間的不平行度控制在±0.2 mm之內。

拆卸3次以上的螺栓在推薦扭矩值的基礎上加大5%～10%，定期對螺栓進行檢查，及時更換舊件。

3.4 優(yōu)化運行方案

升降溫速率過快會使管道、法蘭、墊片、螺栓之間不能協(xié)調同步變化，導致法蘭密封性能下降。為了減小這一影響，將系統(tǒng)的升溫速率由350℃/h降至150℃/h，降溫速率也相應減小。

4 處理結果

加溫系統(tǒng)高溫閥門法蘭密封泄漏的問題經(jīng)過反復研究、摸索,相繼采用以上處理措施后,取得了明顯的效果。在最近半年幾十次的試驗運行過程中，加溫系統(tǒng)高溫閥門沒有任何泄漏現(xiàn)象，事后對螺栓進行檢查，并沒有松動現(xiàn)象，且法蘭的不平行度也在控制范圍內。說明采取的處理措施有效,解決了高溫閥門法蘭泄漏的難題，保證了系統(tǒng)的安全運行，在國內同類型高溫法蘭泄漏處理上具有推廣及應用價值。