压力容器、管道的垫片标准分析及发展应用探讨

周琦荣

(中国石化镇海炼化公司，浙江宁波 315000)

垫片作为设置在静密封面之间的关键密封元件，在石油化工领域的压力容器、压力管道上有广泛应用。随着现代炼化装置向大型化发展，压力容器和管道所用的法兰数量不断增加，压力等级、规格尺寸不断增大，同法兰匹配的垫片型式、规格也在不断的更新及优化发展，但存在现有规范标准缺少相应尺寸，缺少技术要求支撑的情况。

通过对中国石化炼厂及相关单位静密封泄漏率及压力容器、管道垫片失效情况的调研分析，对照标准，结合设计选型及制造安装规范，通过对现压力容器、管道主要在用金属、非金属垫片的规范标准，设计选型等进行分析探讨，提出相应建议措施，提升垫片的标准化管理。

1 垫片标准简介

应用在石油化工装置压力容器、管道法兰的垫片主要分为:金属垫片及非金属垫片。而金属垫片中以金属包覆垫、金属缠绕垫、金属环垫、齿形复合垫及波齿复合垫应用尤为广泛，而非金属垫中以柔性石墨复合垫片尤为受关注。

根据炼厂静设备主要在用垫片的型式及相关标准，结合相关设计及厂家的选型、制造规范，对涉及到的7大类垫片、48个规范标准进行简析。重点对其中失效案例较多的柔性石墨复合垫、金属包覆垫进行标准分析及发展应用探讨。

2 柔性石墨复合垫

与柔性石墨复合垫片相关的标准主要分为管道、容器、换热器三大类及其相关尺寸技术条件，共计7个标准(表1)。管道主要为美洲体系HG/T20627－2009和欧洲体系HG/T 20606－2009;容器主要为NB/T47024－2012;换热器主要为GB/T29463.3－2012。

表1 柔性石墨复合垫片标准

2.1 标准主要释义

HG/T20606、HG/T 20627中明确增强柔性石墨板由不锈钢冲齿或冲孔芯板与膨胀石墨粒子复合而成，不锈钢冲齿或冲孔芯板起增强作用。使用条件:公称压力1.0～6.3 MPa，工作温度－240～650℃(氧化性介质时:－240～450℃)，最大P×T为1200(MPa·℃)。其包边宽度3～5 mm，适用于全平面、突面、凹/凸面和榫/槽面法兰。

JB/T 6628－2008中分类、标记为金属齿板(RSB1222)和金属平板(RSB1232)。物理力学性能如表2所示。

表2 复合板物理力学性能 %

复合垫密封泄漏率应不大于1.0×10－3cm3/s，其泄漏率试验的预紧比压为34.5 MPa。

GB/T 19675.2－2005 3.2.2中规定垫片应由整张复合板切割制成，外径大于1 000 mm的垫片，如需拼接，应取得需方同意。

GB/T29463.3－2012适用于设计压力0.25～4.0 MPa，设计温度－20～350℃的管壳式热交换器用非金属软垫片，其垫片尺寸最大公称直径2 000 mm。

2.2 应用问题分析

设计选型分析:①该类垫片对法兰面要求较低，法兰面存在粗糙、凹坑、划痕等缺陷时，石墨能很好地变形填充进去，避免泄漏;②该类垫片密封比压较低，试验的预紧比压为34.5 MPa。只有金属缠绕垫(70 MPa)的一半，对于低压法兰、螺栓预紧力较低的法兰具有较大的优势;③对于公称直径大于2 000 mm以上的大型设备，标准中无相应的尺寸及技术要求支撑;④垫片选型不能过窄，否则容易因单位面积上压力过大而失效。

制造检验分析:①垫片成型相对容易，易于制造一些形状相对复杂的垫片;②不锈钢冲齿或冲孔芯板主要为0.127 mm厚的不锈钢片，刚性较差，需在内外两侧加包边;③对于GB/T 19675.2－2005 3.2.2中规定外径大于1 000 mm的垫片，如需拼接，应取得需方同意的条款要求，普遍缺少相应的检验及评估手续。

安装分析:①大尺寸垫片在运输、安装施工过程中容易产生变形、损坏;②在高比压的情况下垫片的回弹性相对缠绕垫和波齿垫要差，所以在温度、压力波动过大的场合，使用性能不如缠绕垫和波齿垫;③其泄漏率为1.0×10－3cm3/s(相对偏高)，压缩变形量较大。在泄漏初期，可以进行紧固消漏，在垫片啮开后，采用螺栓紧固方法基本无效果;④由于其预紧比压相对较低，安装紧固过程控制要求较高，建议采用定力矩或螺栓预紧力控制技术施工。

3 金属包覆垫

同金属包覆垫片相关的标准主要也分为管道、容器、换热器三大类及其相关尺寸技术条件，共计5个标准(表3)。管道主要为美洲体系HG/T20630－2009，欧洲体系 HG/T20609－2009和GB/T15601－2013;容器主要为 NB/T47026－2012;换热器主要为GB/T29463.1－2012。

表3 金属包覆垫片标准

3.1 标准主要释义

HG/T20609、HG/T 20630中按包覆金属材料和填充材料的最高工作温度要求，规定垫片使用最高工作温度为600℃。GB/T15601－2013中根据新增的金属材料及填充材料品种(如NS336，陶瓷纤维板等)，规定垫片使用最高工作温度为800℃。

包覆层金属材料的厚度为0.3～0.5 mm，应使用整板制作，若拼接时，其拼接接头按表4规定。

表4 金属材料拼接接头

填充材料不宜多层填充，如需多层填充，最多不超过3层。

GB/T29463.1－2012适用于设计压力0.25～6.4 MPa，设计温度－20～450℃的管壳式热交换器用金属包垫片，金属材料的厚度一般为0.25 mm，0.35 mm，0.5 mm。若拼接时，其拼接接头按表5规定，技术要求高于管道，容器相关的标准要求。其垫片尺寸最大公称直径2 000 mm。

表5 金属材料拼接接头

复合垫密封泄漏率应不大于1.0×10－2cm3/s。

3.2 应用问题分析

设计选型分析:①对于公称直径大于2 000 mm以上的热交换设备，标准中无相应的尺寸及技术要求支撑;②该类垫片其泄漏率为不大于1.0×10－2cm3/s(较高)，而且根据现场实际泄漏案例及目前相关设计院的反馈，该类垫片在设计选型期间不优先推荐考虑。

制造检验分析:虽标准对该类垫片的金属材料拼接接头有明确规定，但制造质量检查及出厂检验缺少相应的有效、可视化手段。

安装分析:①在高比压的情况下垫片的回弹性相对较差，不适宜温度、压力波动较大的场合;②其泄漏率为1.0×10－2cm3/s(较高)，预紧比压相对较低，安装紧固过程控制要求较高。

4 案例分析

某炼厂乙烯装置换热器原始垫片设计选型基本为金属包垫片(JB/T 4706－2000)，在装置原始开工及首次大修后，有部分换热器陆续发生法兰垫片泄漏现象。重点对其中的裂解气压缩机五段冷却器EA－205管箱侧法兰垫片泄漏的问题，对照标准进行垫片设计选型及变更优化的合理性进行讨论分析，提出合理的建议措施，从垫片选型、制造及安装3方面把控设备可靠关。

4.1 原设计垫片选型分析

该换热器管箱侧法兰垫片按JB/T 4706－2000《金属包垫片》进行设计选型，同 GB/T29463.1－2012《管壳式热交换器用垫片 第1部分:金属包垫片》中规格尺寸也一致，Φ1708×Φ1658×3。而该类垫片泄漏率＜1.0×10－2mL/s(泄漏率相对较高)，且已经是PN4.0 MPa下的极限选型规格(壳程最高工作压力4.029 MPa)。

故此处设计选型虽符合标准要求，但已处于边界选型且该类垫片的泄漏率相对较高，并非最佳可靠性选型。

4.2 检验及安装分析

检验方面:GB/T29463.1－2012《管壳式热交换器用垫片 第1部分:金属包垫片》中6.1出厂检验规定，垫片应按技术要求逐片进行检验，检验合格后方可出厂。但实际出厂检验缺少相应的技术复核检验，如金属材料拼接接头是否≤4个等。

安装方面:鉴于该类垫片的预紧比压不高及制造尺寸偏差，尤其对于非整体制造且大直径的垫片，不建议使用传统的冲击力紧固，而应采取科学的、标准的定力矩紧固管理。

4.3 垫片优化选型分析

按照设备主要技术数据(P，T值等)，结合柔性石墨复合垫的7个相关选用标准，同时按GB/T29463.3－2012《换热器非金属软垫片》进行垫片选型，E205管箱侧垫片可考虑变更选型为Φ1708×Φ1648×3304+石墨柔性石墨复合垫。较原选型金属包垫片Φ1708×Φ1658×3单边密封宽度多5 mm。

5 结语

纵观垫片标准，结合现场实际，在垫片选型、复查、安装期间，建议重点关注:垫片预紧比压(不同螺栓规格对应的螺栓预紧力矩值不一样);垫片的密封宽度;是否为整版/整体制造;材质及尺寸公差;大型设备的垫片选型及论证(超出标准范围的，需在设计审查环节进行逐一选型论证)。

综合上述分析，建议结合新型可靠性垫片的研发，通过优化垫片选型管理，配套科学的螺栓预紧力控制，才能切实提升设备法兰静密封点的可靠性。