高温阀门法兰密封泄漏分析及处理

庄春龙，周 强，何 雄、王方舟

（中国航发四川燃气涡轮研究院，四川绵阳 621000）

0 引言

高温阀门主要是在某试验设施的空气加温系统上使用。离心式压缩机组出口的空气经过管式加温炉加热后通过高温阀门供入用气设备，介质为压缩空气，最高温度为500℃，最高压力2.5 MPa。阀门都是采用法兰连接，密封垫片采用金属石墨缠绕垫。由于介质为高温高压气体，一旦泄漏会造成人员伤亡及财产损失。因此解决高温阀门法兰泄漏问题意义重大。

1 泄漏情况

加温系统的运行方式是间歇性运行，每次运行时间约8 h，每次运行主要是升温、恒温、降温3个步骤。在使用过程中泄漏的表现方式是密封垫片破损造成介质泄漏，经拆去保温层、更换密封垫片并将螺栓紧固后，泄漏情况得到控制，但使用几次后又出现泄漏现象，不能完全解决法兰泄漏问题。

2 原因分析

法兰连接系统是螺栓、法兰、垫片连接的整体，法兰的密封性能是靠三者的共同作用来实现的，其中垫片是实现密封的核心部件。通过螺栓的预紧力，垫片和法兰密封面之间产生足够的压力，使垫片产生相应的变形来填补法兰密封面的微观不平度，达到密封的目的。高温阀门法兰泄漏主要有以原因。

2.1 垫片的性能影响

由于承受较大的预紧应力，垫片会产生蠕变和应力松弛现象，且发生这种现象的机率随温度的升高而增大，这种现象在升温过程中是逐渐变化的。目前高温阀门使用的是金属石墨垫片，但刚度较差，抗螺栓过载能力相对较弱。

2.2 高温高压的影响

（1）高温高压会降低垫片的回弹能力和实际密封性能，是影响法兰密封的主要因素之一。

（2）就法兰螺栓结构来看，升温过程中法兰环从内到外存在一定的温度差，因热量是从法兰内壁向外壁传递的，法兰中靠近外壁部分的温度变化比内壁滞后一段时间。升温初期，法兰接管受热升温比法兰环快得多，两者热涨量相差较大，接管的进一步膨胀受到法兰环的约束，从而使法兰产生较大的向外张口角。

（3）高温系统在升温时，螺栓升温滞后，法兰升温较快导致法兰变形，垫片内侧被进一步压缩，垫片应力增加，同时变形过大会使垫片产生塑性变形而降低了垫片的回弹能力。

2.3 升温速率影响

（1）由于新技术的应用，加温炉的温升速率较原加温炉有明显的提升，达到350℃/h。瞬间升温过快，垫片会在短时间内被过分压缩，失去部分回弹能力，同时使法兰产生了较大变形而降低了密封能力。此外，法兰内也会产生较大的不利于密封的瞬态热应力，瞬间降温幅度过大同样也会使法兰在瞬间发生较大变形，并产生较大的瞬态热应力造成泄漏。

（2）温度升降过快会导致管道、法兰、垫片、螺栓之间的温差加大，它们的应力、应变不能在瞬间完成相互的协调变化，导致法兰密封性能下降甚至失效。

2.4 螺栓紧固的影响

（1）螺栓预紧的作用是通过螺栓的预紧力使法兰压紧垫片，使垫片产生变形，从而实现法兰系统的密封，使垫片压紧并实现系统的密封性能。在一定范围内，预紧力越大，垫片的塑性变形越大，垫片与法兰面贴的越紧，密封越好。预紧力不能过大，过大会导致垫片过度变形，而失去回弹能力，丧失密封性能。

（2）在螺栓紧固过程中，要保证螺栓预紧力均匀。如果法兰面上的螺栓预紧力不均匀，会导致密封垫片上的预紧应力不均匀，应力最小的地方就成为了密封的最薄弱环节，而垫片上应力最大点有可能超过垫片的压溃强度导致密封垫的损坏，这些都是运行过程中潜在的泄漏点。在实际的螺栓紧固的过程中，受制于现场操作空间和操作人员水平的问题，没有采用正确的螺栓上紧顺序(十字交叉等距对称)，大部分螺栓紧固都是采用顺序紧固，导致各个螺栓的预紧力不一样，这也是法兰多次泄漏的原因之一。

2.5 建模分析

（1）对系统内经常泄漏的一个典型阀门进行建模分析，阀门尺寸与结构按照厂家资料给出。模型边界条件：阀门工作温度410℃，法兰外壁120℃。阀门安装在水平管道上，一端是固定连接，另一端无稳定的固定形式，由于通过弯头补偿在拟合时不便建立模型，且管段最后有补偿器，拟合不便，目前取2个弯头旋转对称面固定来给予约束。环境温度22℃。

（2）图1为垫片的应变分布图，这里的剖分面为石墨垫片中面。对于垫片而言，其最大应变点出现在垫片上部，与阀门的实际泄漏位置相符。

（3）图2为垫片应力分布云图，应力由于螺栓的布置而出现波动，但整体趋势较明显，从图2中可以看出，垫片应力的最大点出现在垫片上、下两个部分。

（4）图3为螺栓应力分布图，从图3中可以看出，螺栓应力的最大点出现在阀门顶部法兰连接的螺栓处。左右两边的法兰有明显的开口现象。

根据上述分析结果，垫片应力和应变最大的点都在上部，与现场法兰泄漏的实际情况相吻合。

图1 垫片应变分布云图

图2 垫片应力分布云图

图3 螺栓应力分布云图

3 处理措施

3.1 更换密封垫片

（1）金属石墨垫片不能在高温高压条件下反复使用过程中保证密封性能，将其更换为波齿型复合垫片。

（2）波齿型复合垫片适用于垫片回弹要求较高的场合，它有极好的热传导，能满足高温、高压及易腐蚀的使用环境。垫片的骨架是金属材料，通过机械加工的方式在金属骨架的上下表面加工出相互错开的抛物线型沟槽，在沟槽内模压出一定厚度的柔性膨胀石墨。垫片的密封属于线性密封，金属骨架具有很好的回弹性，在螺栓预紧力的作用下，石墨充满法兰面和沟槽之间，形成多道膨胀石墨密封圈，达到了对空气的密封效果，保证了系统的密封性能。2种垫片性能对比情况见表1。

表1 2种垫片性能对比

3.2 更换螺栓

在之前的检查过程中发现，不锈钢螺栓出现了拉伸、弯曲变形的现象，在处理过程中，选用高强度螺栓，将法兰紧固件（包括螺栓、螺母、平垫、弹垫）材质由不锈钢改为35CrMo，对螺栓施加更大的预紧力，从而保证法兰的密封。

3.3 改善螺栓预紧技术

采用2把液压专用扳手同步对称把紧螺栓，并采用十字对称的顺序进行预紧。螺栓的预紧扭矩采用推荐值，保证所有螺栓的预紧力一致。法兰之间的不平行度控制在±0.2 mm之内。

拆卸3次以上的螺栓在推荐扭矩值的基础上加大5%～10%，定期对螺栓进行检查，及时更换旧件。

3.4 优化运行方案

升降温速率过快会使管道、法兰、垫片、螺栓之间不能协调同步变化，导致法兰密封性能下降。为了减小这一影响，将系统的升温速率由350℃/h降至150℃/h，降温速率也相应减小。

4 处理结果

加温系统高温阀门法兰密封泄漏的问题经过反复研究、摸索,相继采用以上处理措施后,取得了明显的效果。在最近半年几十次的试验运行过程中，加温系统高温阀门没有任何泄漏现象，事后对螺栓进行检查，并没有松动现象，且法兰的不平行度也在控制范围内。说明采取的处理措施有效,解决了高温阀门法兰泄漏的难题，保证了系统的安全运行，在国内同类型高温法兰泄漏处理上具有推广及应用价值。