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摘 要：针对高温高压监测设备法兰频繁泄漏蒸汽的问题，通过分析研究法兰密封结构及密封副的情况，发现此处法兰垫片设计选型不合理，不适用此法兰结构及运行工况。通过对法兰密封进行理论计算，重新设计一种尺寸结构和密封性能合适的金属石墨组合齿形垫片，替代原金属垫片。法兰密封结构改进换型后，密封效果良好，彻底解决了蒸汽介质泄漏问题。
关键词：法兰密封;金属齿形石墨组合垫片;泄漏;紧固力矩
概述
法兰密封结构常见的失效形式是泄漏。泄漏除了和安装工艺及法兰密封面状况有关外，最主要的原因在于垫片选型是否正确。垫片的基本性能通常从两个方面来描述，一是其力学性能，包括压缩回弹特性、蠕变和应力松弛特性等;二是其基本密封特性，它是与泄漏率相联系的，是衡量垫片综合性能的主要指标。针对不同的工况，应选取对应的适用垫片。
从2014年01月至2019年01月，某核电站机组GPV系统SN法兰处出现漏水、漏汽的相关缺陷有35项，平均每两个月会出现一起SN法兰泄漏的故障。在大修期间对相关SN法兰拆解，通过分析研究法兰密封结构及密封副的情况，发现此处法兰垫片设计选型不合理。通过理论计算，并重新设计选型，将原金属垫片替换为金属石墨组合齿形垫片，新垫片安装后消除了法兰泄漏故障。
1.故障简介
1.1故障描述
2017-12-08，某机组GPV0481SN保温壳内有蒸汽冒出。
2018-01-04，拆开保温后，发现法兰漏汽。
2018-04-04，日常使用PX票在线紧固处理，最终紧固力矩180N.m，紧固后仍未消漏，提通知单跟踪。
大修期间，将此处法兰拆开检查，发现法兰面及法兰边缘存在泄漏痕迹，但无冲蚀。
查询同类设备检修历史（从2014年1月至2019年1月），某核电站各个机组GPV系统SN出现漏水、漏汽的相关通知单有35项，其中较为典型的缺陷为保温层漏蒸汽或轻微漏汽。
1.2设备简介
GPV0481SN是液位开关电容探头，每台机组同类设备有15个，清单如表1。
SN通过法兰与现场竖直管道连接，安装时保证水平角度≥5°，以便实现SN的监测功能。SN法兰为全约束密封副设计，端盖平面和管道法兰平面组成一对法兰，两端均布设计有垫片凹槽，总槽深5.2mm，密封面带水纹线;原设计垫片为金属垫片，Ф81*Ф61*6.8mm，设计压缩率23%;法兰螺栓：M16*8颗，SN法兰原设计时选取了弹性螺栓进行安装，此类螺栓能承受较大交变载荷和冲击载荷，能减小温度及振动对螺栓强度的，上游文件要求安装力矩：130N.m。SN法兰结构见图1。
2.原因分析
2.1法兰密封面缺陷：
如果法兰密封面本身存在如凹坑、压痕、划痕、擦伤、毛刺、裂纹、腐蚀等损伤性缺陷，或者表面不洁净，残留外来污染物，都会影响垫片的密封能力。密封面缺陷允许深度与所使用的垫片类型有关，硬的垫片不容易在局部缺陷处和密封面贴合，对局部缺陷比软垫片更。此处原设计为较硬的金属垫片，若密封面存在无法贴合的缺陷，则必然造成法兰泄漏。
2.2密封垫片选型不合理：
高温工况下，垫片回弹性能会下降，如果垫片回弹量小到不足以补偿介质压力、温度和法兰附件载荷引起的密封面的分离量时，将导致连接系统泄漏率的增大，这是引起高温螺栓连接法兰泄漏的主要原因之。日常运行期间发生泄漏的法蘭进行加载力矩紧固后，泄漏情况有好转，证明垫片上的应力在运行期间有所减小，垫片无法满足实际运行工况。
结合以上原因分析，可以得出此SN法兰原始设计的密封形式不合理，所选垫片为金属垫片，对法兰密封面缺陷较为敏感，无法满足温度变化下有交变载荷的运行工况。
3.法兰密封形式改进
3.1法兰密封力核算：
日常期间法兰发生泄漏时进行紧固消漏的最大紧固力加载至180N.m，泄漏仍未消除，说明密封面已经无法实现密封了，如果依靠提高紧固力矩来消漏，则可能导致法兰、螺栓或垫片损坏，还对与法兰连接的管道和设备造成了附件高应力。上游文件要求力矩130N.m，该处法兰的最高工作压力6.42MPa，最高工作温度301℃，根据《法兰螺栓载荷计算书》核算的结果如下：
1）对于金属石墨组合垫片，法兰垫片所需的最小垫片应力为82.8MPa，最大垫片应力为207MPa;
2）在130N.m力矩下，法兰垫片的应力为146MPa;
3）按照紧密度等级来评价，各等级下的紧固力矩分别为：
密封紧密度（Tp） T1 T2 T3 T4 T5
螺栓紧固力矩 29.12475505 45.46270109 78.06118915 143.1037239 272.8806423
紧密度代表了法兰密封的泄漏水平，上游文件中的130N.m力矩已经达到接近T4级的水平，满足法兰密封的要求。紧密度等级的行业划分见图2。
3.2法兰垫片改进方案：
此处法兰垫片需要承受高温高压介质，而且从法兰密封应力核算结果分析，此处安装的法兰垫片需要承受较高的垫片应力，因此选取金属齿形石墨组合垫片是较好的方案。齿形组合垫片的主体为金属齿形骨架和柔性石墨，两者之间覆有一层胶黏剂。其中柔性石墨使垫片具有较好的压缩回弹性能，金属骨架为承受高压提供了基础，而金属齿尖形成了多条线密封，提高了密封比压，使之在极端条件下也具有优异的密封性能。此垫片的结构见图3。
现场改进前后垫片见图4、图5。
关于垫片尺寸的设计，需要考虑压缩率，现场进行了安装试验。
2019年2月16日，联系垫片厂家根据密封面实际尺寸并参考原金属垫片尺寸，测绘并定制了金属石墨组合齿形垫片。 2019年2月21日，试装垫片到货，材质：316L+核级石墨，实测尺寸：Ф61.00*Ф81.00*7.20mm。现场试装按照180N.m力矩进行安装，安装后检查测量法兰平行度0.08mm，两法兰面最大间隙1.33mm，最小间隙1.25mm;拆下试装垫片，测量压缩后的垫片厚度为6.30mm，相对试装前被压缩了0.90mm。如果按照130N.m紧固，垫片压缩量将<0.90mm。
按照现场试装情况，重新定制试装的金属石墨组合齿形垫片，将垫片厚度减小至6.10（5.2+0.9）mm，确保安装后两法兰面间隙接近0mm。而且也有相关研究表明，采用不锈钢骨架，齿距在3-5mm，柔性石墨覆层厚度在1.3mm左右的复合垫片具有较好的力学。因此，最终设计的垫片尺寸为Ф61.00*Ф81.00*6.10mm。
3.3现场改进情况：
大修涉及拆装的GPV系统SN法兰共有6个，分别为：GPV0081/0381/1081/2081/0082/0481SN。此6个SN法兰均使用了新设计的金属齿形石墨组合垫片，现场完成SN法兰安装后，测量法兰平行度及间距数据见表2。
从以上紧固后的平行度和间隙来看，整个法兰密封组件的尺寸配合非常好，垫片的厚度设计合理，紧固后留有一定间隙，可以保证螺栓载荷全部作用到了垫片上，密封应力可以得到保证。
3.4方案实施收益：
1）工艺质量可控性提升：和原设计的金属垫片相比，此新型垫片可以降低法兰安装精度要求，石墨的补偿性也对密封面微小间隙实现良好补偿，同样的法兰，使用改进后垫片安装将大大提高法兰密封的可靠性;
2）减少日常期间带压堵漏工作：较以往金属垫片频繁泄漏的情况，改进后垫片可消除日常期间的泄漏問题，无需增加带压堵漏的维修成本，也避免了高风险作业，此设备日常无法隔离，日常发现泄漏没有更换的机会只有高温高压情况下带压堵漏或者停机处理;
3）原垫片是美国进口备件价格昂贵（RMB4557.81/个），新垫片为国产化垫片价格较低（RMB150/个），可以显著减少后续备件采购成本。
4.结论
决定螺栓连接法兰密封有三个关键因素：零件质量、法兰设计和安装。本次从现场故障情况进行分析判断，发现了法兰泄漏的原因在于其设计存在不合理的情况。最终重新设计了结构尺寸合适和密封性能优良的金属齿形石墨组合垫片，消除了法兰泄漏的故障。
炼油、化工行业的法兰设计中，有使用金属石墨组合齿形垫片的实例，但此类垫片未在机械行业全面推广应用。此次技术改进中所设计的是特殊厚度尺寸的金属石墨组合齿形垫片，且安装在特殊结构的法兰密封副内，拓展了此类垫片的应用范围。此改进方案也为同类结构和运行参数的法兰密封垫片改进换型提供了思路和方法。
参考文献：
[1]黄南，刘冬敏.弹性螺栓的应用与研究[J].中州大学学报，2007（07）：120-122.
[2]蔡暖姝，蔡仁良，应道宴.螺栓法兰连接安全密封技术（五）——安装[J].化工设备与管道，2013，50（05）：1-7.
[3]任建民.基于紧密度要求的法兰螺栓载荷计算[J].石油化工设备，2004，33（03）：36-38.
[4]顾伯勤，陈晔.高温螺栓法兰连接的紧密性评价方法[J].润滑与密封，2006（06）：39-41.
[5]谢苏江，蔡仁良，黄建中.金属波齿符合垫片结构参数和力学性能关系的试验研究[J].化工机械，2000，27（04）：200-203.
作者简介：
柳小康（1993.3-），男，中广核核电运营有限公司大修中心静止机械分部准备主管工程师，主要从事管道、阀门维修及故障处理工作;
赵国浩（1988.8-），男，中广核核电运营有限公司大修中心静止机械分部阳江项目队队长，主要从事管道、阀门维修及故障处理工作;
周犊（1979.6-），男，中广核核电运营有限公司大修中心静止机械分部主任工程师，主要从事管道、阀门维修及故障处理工作。
关键词：法兰密封;金属齿形石墨组合垫片;泄漏;紧固力矩
概述
法兰密封结构常见的失效形式是泄漏。泄漏除了和安装工艺及法兰密封面状况有关外，最主要的原因在于垫片选型是否正确。垫片的基本性能通常从两个方面来描述，一是其力学性能，包括压缩回弹特性、蠕变和应力松弛特性等;二是其基本密封特性，它是与泄漏率相联系的，是衡量垫片综合性能的主要指标。针对不同的工况，应选取对应的适用垫片。
从2014年01月至2019年01月，某核电站机组GPV系统SN法兰处出现漏水、漏汽的相关缺陷有35项，平均每两个月会出现一起SN法兰泄漏的故障。在大修期间对相关SN法兰拆解，通过分析研究法兰密封结构及密封副的情况，发现此处法兰垫片设计选型不合理。通过理论计算，并重新设计选型，将原金属垫片替换为金属石墨组合齿形垫片，新垫片安装后消除了法兰泄漏故障。
1.故障简介
1.1故障描述
2017-12-08，某机组GPV0481SN保温壳内有蒸汽冒出。
2018-01-04，拆开保温后，发现法兰漏汽。
2018-04-04，日常使用PX票在线紧固处理，最终紧固力矩180N.m，紧固后仍未消漏，提通知单跟踪。
大修期间，将此处法兰拆开检查，发现法兰面及法兰边缘存在泄漏痕迹，但无冲蚀。
查询同类设备检修历史（从2014年1月至2019年1月），某核电站各个机组GPV系统SN出现漏水、漏汽的相关通知单有35项，其中较为典型的缺陷为保温层漏蒸汽或轻微漏汽。
1.2设备简介
GPV0481SN是液位开关电容探头，每台机组同类设备有15个，清单如表1。
SN通过法兰与现场竖直管道连接，安装时保证水平角度≥5°，以便实现SN的监测功能。SN法兰为全约束密封副设计，端盖平面和管道法兰平面组成一对法兰，两端均布设计有垫片凹槽，总槽深5.2mm，密封面带水纹线;原设计垫片为金属垫片，Ф81*Ф61*6.8mm，设计压缩率23%;法兰螺栓：M16*8颗，SN法兰原设计时选取了弹性螺栓进行安装，此类螺栓能承受较大交变载荷和冲击载荷，能减小温度及振动对螺栓强度的，上游文件要求安装力矩：130N.m。SN法兰结构见图1。
2.原因分析
2.1法兰密封面缺陷：
如果法兰密封面本身存在如凹坑、压痕、划痕、擦伤、毛刺、裂纹、腐蚀等损伤性缺陷，或者表面不洁净，残留外来污染物，都会影响垫片的密封能力。密封面缺陷允许深度与所使用的垫片类型有关，硬的垫片不容易在局部缺陷处和密封面贴合，对局部缺陷比软垫片更。此处原设计为较硬的金属垫片，若密封面存在无法贴合的缺陷，则必然造成法兰泄漏。
2.2密封垫片选型不合理：
高温工况下，垫片回弹性能会下降，如果垫片回弹量小到不足以补偿介质压力、温度和法兰附件载荷引起的密封面的分离量时，将导致连接系统泄漏率的增大，这是引起高温螺栓连接法兰泄漏的主要原因之。日常运行期间发生泄漏的法蘭进行加载力矩紧固后，泄漏情况有好转，证明垫片上的应力在运行期间有所减小，垫片无法满足实际运行工况。
结合以上原因分析，可以得出此SN法兰原始设计的密封形式不合理，所选垫片为金属垫片，对法兰密封面缺陷较为敏感，无法满足温度变化下有交变载荷的运行工况。
3.法兰密封形式改进
3.1法兰密封力核算：
日常期间法兰发生泄漏时进行紧固消漏的最大紧固力加载至180N.m，泄漏仍未消除，说明密封面已经无法实现密封了，如果依靠提高紧固力矩来消漏，则可能导致法兰、螺栓或垫片损坏，还对与法兰连接的管道和设备造成了附件高应力。上游文件要求力矩130N.m，该处法兰的最高工作压力6.42MPa，最高工作温度301℃，根据《法兰螺栓载荷计算书》核算的结果如下：
1）对于金属石墨组合垫片，法兰垫片所需的最小垫片应力为82.8MPa，最大垫片应力为207MPa;
2）在130N.m力矩下，法兰垫片的应力为146MPa;
3）按照紧密度等级来评价，各等级下的紧固力矩分别为：
密封紧密度（Tp） T1 T2 T3 T4 T5
螺栓紧固力矩 29.12475505 45.46270109 78.06118915 143.1037239 272.8806423
紧密度代表了法兰密封的泄漏水平，上游文件中的130N.m力矩已经达到接近T4级的水平，满足法兰密封的要求。紧密度等级的行业划分见图2。
3.2法兰垫片改进方案：
此处法兰垫片需要承受高温高压介质，而且从法兰密封应力核算结果分析，此处安装的法兰垫片需要承受较高的垫片应力，因此选取金属齿形石墨组合垫片是较好的方案。齿形组合垫片的主体为金属齿形骨架和柔性石墨，两者之间覆有一层胶黏剂。其中柔性石墨使垫片具有较好的压缩回弹性能，金属骨架为承受高压提供了基础，而金属齿尖形成了多条线密封，提高了密封比压，使之在极端条件下也具有优异的密封性能。此垫片的结构见图3。
现场改进前后垫片见图4、图5。
关于垫片尺寸的设计，需要考虑压缩率，现场进行了安装试验。
2019年2月16日，联系垫片厂家根据密封面实际尺寸并参考原金属垫片尺寸，测绘并定制了金属石墨组合齿形垫片。 2019年2月21日，试装垫片到货，材质：316L+核级石墨，实测尺寸：Ф61.00*Ф81.00*7.20mm。现场试装按照180N.m力矩进行安装，安装后检查测量法兰平行度0.08mm，两法兰面最大间隙1.33mm，最小间隙1.25mm;拆下试装垫片，测量压缩后的垫片厚度为6.30mm，相对试装前被压缩了0.90mm。如果按照130N.m紧固，垫片压缩量将<0.90mm。
按照现场试装情况，重新定制试装的金属石墨组合齿形垫片，将垫片厚度减小至6.10（5.2+0.9）mm，确保安装后两法兰面间隙接近0mm。而且也有相关研究表明，采用不锈钢骨架，齿距在3-5mm，柔性石墨覆层厚度在1.3mm左右的复合垫片具有较好的力学。因此，最终设计的垫片尺寸为Ф61.00*Ф81.00*6.10mm。
3.3现场改进情况：
大修涉及拆装的GPV系统SN法兰共有6个，分别为：GPV0081/0381/1081/2081/0082/0481SN。此6个SN法兰均使用了新设计的金属齿形石墨组合垫片，现场完成SN法兰安装后，测量法兰平行度及间距数据见表2。
从以上紧固后的平行度和间隙来看，整个法兰密封组件的尺寸配合非常好，垫片的厚度设计合理，紧固后留有一定间隙，可以保证螺栓载荷全部作用到了垫片上，密封应力可以得到保证。
3.4方案实施收益：
1）工艺质量可控性提升：和原设计的金属垫片相比，此新型垫片可以降低法兰安装精度要求，石墨的补偿性也对密封面微小间隙实现良好补偿，同样的法兰，使用改进后垫片安装将大大提高法兰密封的可靠性;
2）减少日常期间带压堵漏工作：较以往金属垫片频繁泄漏的情况，改进后垫片可消除日常期间的泄漏問题，无需增加带压堵漏的维修成本，也避免了高风险作业，此设备日常无法隔离，日常发现泄漏没有更换的机会只有高温高压情况下带压堵漏或者停机处理;
3）原垫片是美国进口备件价格昂贵（RMB4557.81/个），新垫片为国产化垫片价格较低（RMB150/个），可以显著减少后续备件采购成本。
4.结论
决定螺栓连接法兰密封有三个关键因素：零件质量、法兰设计和安装。本次从现场故障情况进行分析判断，发现了法兰泄漏的原因在于其设计存在不合理的情况。最终重新设计了结构尺寸合适和密封性能优良的金属齿形石墨组合垫片，消除了法兰泄漏的故障。
炼油、化工行业的法兰设计中，有使用金属石墨组合齿形垫片的实例，但此类垫片未在机械行业全面推广应用。此次技术改进中所设计的是特殊厚度尺寸的金属石墨组合齿形垫片，且安装在特殊结构的法兰密封副内，拓展了此类垫片的应用范围。此改进方案也为同类结构和运行参数的法兰密封垫片改进换型提供了思路和方法。
参考文献：
[1]黄南，刘冬敏.弹性螺栓的应用与研究[J].中州大学学报，2007（07）：120-122.
[2]蔡暖姝，蔡仁良，应道宴.螺栓法兰连接安全密封技术（五）——安装[J].化工设备与管道，2013，50（05）：1-7.
[3]任建民.基于紧密度要求的法兰螺栓载荷计算[J].石油化工设备，2004，33（03）：36-38.
[4]顾伯勤，陈晔.高温螺栓法兰连接的紧密性评价方法[J].润滑与密封，2006（06）：39-41.
[5]谢苏江，蔡仁良，黄建中.金属波齿符合垫片结构参数和力学性能关系的试验研究[J].化工机械，2000，27（04）：200-203.
作者简介：
柳小康（1993.3-），男，中广核核电运营有限公司大修中心静止机械分部准备主管工程师，主要从事管道、阀门维修及故障处理工作;
赵国浩（1988.8-），男，中广核核电运营有限公司大修中心静止机械分部阳江项目队队长，主要从事管道、阀门维修及故障处理工作;
周犊（1979.6-），男，中广核核电运营有限公司大修中心静止机械分部主任工程师，主要从事管道、阀门维修及故障处理工作。