特殊环境下压力容器的密封技术应用

2017-08-31陈文松沈允生

化工设计 2017年4期

关键词：密封面垫片法兰

陈文松沈允生

中蓝晨光化工研究设计院有限公司成都 610041 中国船舶科学研究中心无锡 214082

特殊环境下压力容器的密封技术应用

陈文松*沈允生

中蓝晨光化工研究设计院有限公司成都 610041 中国船舶科学研究中心无锡 214082

分析法兰、螺栓、垫片连接的压力容器密封失效机理，针对大深度海洋工程承压设备和高温高压下大直径压力容器防止泄漏提出了对策。供从事相关工程技术人员参考。

密封技术特殊环境压力容器

压力容器的密封技术具有两个特点：应用的普遍性和对国家财产、人身生命安全的重要性。

密封技术是流体介质输送、储存、换热、反应等过程中，防止其泄漏的必要手段和方法。广泛应用于生活、生产、科研活动中，涉及各行各业。例如：航天工程、海洋工程、化学工程、机械工程、医药卫生设备、环保设备、公路铁路运输罐装车、石油工业、船舶工业等。

密封的重要性，不仅仅是泄漏会造成流体介质的损失和生产过程的停顿，更重要的是，对于在某些特殊环境中使用的设备和容器，一旦发生泄漏，将会造成生态环境破坏，海洋污染，甚至危及国家财产和人身生命安全。特别是压力容器运行在有高温、高压、易燃易爆、危害介质、粉尘工况下，一旦泄漏，后果不堪设想。因此，本文就压力容器在海洋工程和高温、高压下法兰连接的压力容器，通过对这些特殊环境下的密封失效的分析，推荐防止泄漏方式的选用建议，以供相关工程技术人员参考。

1 常见密封失效分析

GB 150推荐的压力容器密封形式[1]，主要使用于承受流体静压力及垫片压紧力作用的法兰、螺栓、垫片连接形式。

一般常用的普通密封结构主要有两类：一类是靠螺栓预紧力使密封元件预变形，当容器在工作时，其压力会使密封元件慢慢失去原有压缩量。但仍然控制在可承受的范围，避免泄漏；另一类是自密封结构，利用一部份高压腔压力，使可移动元件保持或增加密封元件的压缩量，不致于泄漏。

尽管设计时在法兰的结构尺寸、材料、密封面形式、垫片材料，以及螺栓的材料、规格、数量上都作了详细的考虑，但是，有些容器在特殊环境中使用时，还是会产生泄漏。

产生密封失效而泄漏的原因很复杂，主要原因有以下几方面：

(1)法兰及密封面机械加工造成的密封失效。因为法兰及密封面的机械加工，总会产生一些不平度和表面粗糙度的选择不当，使法兰、密封面和垫片配合面之间产生间隙，流体介质从存在压差的高压侧向低压侧渗漏。

(2)在两个压力差之间通道上的密封材料或密封形式选择不当，密封件不能起到阻碍流体介质渗透的作用而密封失效。

(3)由于在高温、高压或低温环境下，密封材料功能性破坏，或者是大直径法兰产生超过预计变形而使密封垫片崩散失效。

一般情况下，容器腔室两边的压力差越高，密封要求也越高。所以，在大深度海洋工程中的容器和高压设备，以及高温、高压大直径的石油化工装备上，常会发生密封失效而泄漏。

2 防止密封失效的对策

密封失效的基本原因已经清楚，那么，如何来消除或减小密封面上的间隙而防止泄漏呢？可以从以下几个方面考虑。

(1)封住连接面间隙：增加法兰螺栓预紧力，减少法兰密封面形状、尺寸偏差。针对部分密封结构形式，对密封面加工精度应提高要求。封住间隙，隔离或切断高压侧流体介质泄漏。

(2)增加泄漏通道阻力：特别是在海洋工程深海模拟压力筒设备中，为了考核各种水下设备和电缆、光缆，往往会有许多导缆通过水密接头时，在高压下会产生相对滑移和跑窜。可以用特殊的工装夹具对其压差调整，以增加阻力，达到减少甚至消除滑移和泄漏的目的。

(3)采用压缩性能和回弹性能好、永久变形小、又能满足高压的密封垫片。

(4)采用特殊型式的自补偿密封垫片。例如，双金属自密封波齿复合垫片。

3特殊环境中压力容器密封的应用

3.1 大深度海洋工程设备上的密封

随着海洋开发在世界范围内空前的活跃，在近海石油、天然气开采，深海海洋资源的探测以及深海生物工程的研发，都离不开承受压力的容器。那么这些容器上的开孔管接以及封盖的密封又有什么特殊性呢？

首先是克服强大的水压力，随着水深，压力也越大，当容器设备沉入深海时，对其密封要求也越苛刻。

其次是水下工程中不能采用常规的压力容器法兰、螺栓、垫片密封形式，它必须适应重量相对轻巧，体积较小，凸出部件较小的设计原则，特别是重量非常敏感，因为提供上浮时的浮力材料可少用，从海底携带的有效载荷将增加[2,3]。

这里介绍两种容器的密封。

(1)大深度载人潜水器载人舱：球形载人舱是深潜器中的核心部件，它上面有许多开孔和电缆，管道的贯穿件，如果在水下7000m泄漏，后果不堪设想。尤其是潜航员的出入舱口，开孔直径大，密封要求高，球形上开孔没法用法兰，全靠预紧密封有难度。通过实践，证明目前采用的结构形式是合理且可靠的。出入人孔的密封结构由舱口盖、O型密封圈、加强围栏组成，密封面为锥面密封。具体结构见图1。

密封原理：密封圈沟槽在舱口盖圆锥面上部，初始密封由密封圈完成，预紧力由舱口盖缩紧机构提供。在水下随着深度增大，压力也随之增加,舱口盖和围栏接合面的贴合越来越紧，形成一个金属面之间的密封面，籍此完成大深度的密封。密封圈必要时可采用双O型圈结构，也可采用密

图1 出入人孔的密封结构

封效果更好的C型圈、B型圈结构等。该结构的优点是结构简单，舱口盖开启方便，可内外操作。其缺点是该密封面的加工精度和舱口盖装配到加强围栏上的精度特别高。为保证围栏与舱口盖间的金属密封面结构的可靠性，也可增加一些特殊结构要求。

(2)耐压罐：水下装备的承压设备中，有直径大小不等，长短不一的圆柱体耐压罐，由中间的柱筒体和两端的封头组成。一般这种耐压罐常常要打开，对罐内布置的仪器设备进行安装和维护。所以一端的封头和筒体可以焊死，另一端的封头便要刻意沿筒体线方向移开，成为可拆式封头，可拆式封头上还有许多电器接插件的开孔。由于传统的法兰、螺栓连接形式，不适宜于耐压罐上筒体与封头和法兰焊接。它要求重量轻，不得有焊接变形。所以，采用机加工，高精度部件的组装结构，更为合理、适用。通常采用的耐压罐密封结构(现有局部结构改进优化)见图2。

图2 耐压罐的密封结构

该密封结构采用微法兰和可拆卸的两个微法兰1和2相组合的结构形式。微法兰、壳体与封头之间通过法兰1、法兰2和环之间的配合，利用螺栓连接固定，由此实现可卸可装功能。便于打开封头对耐压罐内的设备、仪器进行维护。密封是通过安装在密封槽内的两个O型密封圈实现的，该密封槽是由法兰1、法兰2和环实现一个自补偿式密封系统。在水下高压外压环境下，密封槽两端均受压力，两个密封圈受压后同时向槽中央挤压，由于微法兰1、2与壳体、封头是锥面过渡，随着外压力的增大，密封圈压缩量也随之增加，密封面便更好地贴合，达到高压密封的目的。

该结构的特点：密封的所有元件都分别用机械加工而成，没有焊接件；装卸和维护方便；无突出的法兰和螺栓零件，外形和重量都比法兰螺栓连接形式轻巧；在深海压力作用下具有良好的密封性能。

3.2 大直径压力容器法兰、螺栓连接的密封

大型石化装置的化工容器，其直径通常都在1～4m之间，这些容器常在高温和高压下运行。运行中会出现密封失效，介质泄漏，不仅直接造成了容器的功能性丧失，而且还是安全生产的极大隐患。如何解决泄漏问题，许多业内人士经过各方面的努力，在一定范围内取得了进展，并在工程应用中已有成功实例，在此作一介绍。

3.2.1 大直径压力容器法兰、螺栓连接的特点[4，5，6]

(1)由于容器直径较大，在制造加工过程中，法兰密封面的精度不易保证，会出现粗糙度和形位公差的不确定度增大，影响密封。

(2)法兰的刚度设计因目前的刚度计算没有可靠的计算手段，因此法兰刚度在满足强度前提下也会出现不足。因为在高温、高压下运行，各种载荷的联合作用，法兰密封面容易产生扭曲和变形，影响密封。

(3)由于法兰直径较大，螺栓数量多，在预紧状态下，很难保证螺栓给予的预紧密封面都有良好状态，当在操作工况下，便会在薄弱方向首先使密封失效。

(4)由于法兰密封面的凹凸不平度，影响了垫片比压分布的不均匀性，当某处垫片的压缩量小于密封所需的反弹量时，泄漏从此发生。

综合性地解决上述四个问题，便能较好地解决大直径高温、高压下法兰螺栓连接的密封失效。

3.2.2 大直径压力容器法兰、螺栓连接密封技术

根据上节分析，需从四个方面克服泄漏产生的原因，例如，提高加工中的精度，加大法兰在高温、高压下抗变形能力，留有足够的刚度余量；采用良好的、均匀的预紧方法，这些都是有效的[7，8]。但是，工程上总存在局限性，加工装配总有误差，那么，这些不可避免的不利因素如何来弥补呢？那就要从垫片的材料、性能、形式上加以考虑。能否有一种垫片，能够满足操作工况下，自动调节密封面各点比压，从而使其达到预期的密封呢？答案是有的。目前，已开发出一种叫做“双金属自密封波齿复合垫片”[9]。这种垫片根据压力自紧密封原理设计制造。它利用密封介质的压力来提高垫片的密封比压，使垫片在两个密封面之间保持良好的密封性能。具体结构见图3。

图3 双金属自密封波齿复合垫片结构

结构特点：垫片由上下表面、柔性石墨和金属骨架组成。金属骨架由两片金属迭合后在外周边缘熔合而成，上下表面设有圆弧形同心槽，且相互错开，金属骨架上复一层适当厚度的柔性石墨材料。整个垫片呈波齿状。

该垫片的密封原理：一般的预紧式垫片处于操作状态时，当容器内部压力升高，预紧状态下的部分垫片压缩量开始减小，如果比压减少到一定程度，将会泄漏。而该垫片在介质压力升高后，介质会通过间隙进入两金属间，并在上、下金属片之间向上和向下扩张，介质压力通过上、下金属片给垫片的上下表面施压，也即给法兰的上、下密封面(接触面)上施压，从而提高了操作工况下垫片密封面的比压，保证垫片具有良好密封性能。

该密封垫片的优点：它比缠绕式金属垫片、柔性石墨金属波齿复合垫片有更好的密封性、可靠性和安全性。安装方便，适应性广。尤其对压力、温度范围较高且有波动的大直径容器，有更优越的密封性能[10]。

大型容器、换热器由于工作环境特殊，传统密封技术已不能满足要求。目前近十余家石化企业装置上成功应用了该密封垫[4，11]。已被应用到最大直径达3300mm[4]，最大压力达42MPa，最低/最高温度达-196℃/600℃的场合[10]。它能对法兰本身带来的制造缺陷和操作工况下产生的变形有较好的补偿能力，而且和传统的“预紧密封”完全不同。采用自紧密封，这无疑是提高高压、高温下工作且有波动的大直径容器法兰密封的有效措施。双金属自密封波齿复合垫目前根据各工程项目的实际使用经验，有进一步的结构优化改进。