中石化金陵分公司  杨树人  黄鑫  广州市东山南方密封件公司  吴树济  钟海强 

   摘要：工程建设中难免出现复杂情况，装置运行中难免出现压力和温度的波动，现有的垫片的密封性能已难以满足这些要求。近期由广州市东山南方密封件公司研制开发的专利产品－双金属自密封波齿复合垫片是一种具有“压力自密封”特性的新型垫片。本文介绍了该垫片在中石化金陵分公司的几个装置上的成功应用实例，表明该垫片为解决目前石化装置的泄漏难题提供了很好的方法。

关键词：密封，垫片，压力自密封，双金属自密封波齿复合垫片。

一．前言

   随着石油化工装置的大型化和高参数，装置的各种设备（包括管道系统）的通径尺寸越来越大，操作温度和压力也越来越高，因而对垫片的性能要求也越来越高。我公司近几年以来新建的个别大型装置由于法兰联接泄漏而影响装置的正常投产和生产。在运装置由于压力和温度的波动，设备经常出现泄露，频繁更换垫片不仅增加设备维修成本而且影响装置的安全生产。在现有各种垫片性能无法满足使用要求的情况下，通常采用安装碟型弹簧补偿装置，但价格相对较高，或者采用带压堵漏的方法解决。为此，我们一直希望能找到一种高性能的垫片以便更好地解决装置的泄漏难题。

   2008年底，我公司新建的某大型装置开工投产。部分法兰密封泄露，影响到装置正常开工，我公司使用了广州市东山南方密封件公司的双金属自密封波齿复合垫片，泄漏问题获得解决，装置得以顺利投产。由此，我们感到这种新型垫片有可能用来解决在运装置的泄漏难题。

   我们从了解到，双金属自密封波齿复合垫片是广州市东山南方密封件公司研制开发的最新专利产品。众所周知，现有垫片是按“强制密封”原理设计的，也就是说，这些垫片在使用时都是通过强有力的螺栓力将法兰拉紧,在垫片上形成足够的垫片应力来能达到密封的。一旦原有的垫片预紧应力降低，至一定程度时就会发生泄漏。而在实际的法兰联接中，垫片预紧应力降低的原因是多种多样的。例如垫片材料本身的蠕变松弛特性引起的垫片预紧应力下降，或者垫片使用时由内压力所形成的轴向力使两法兰面发生分离而使垫片应力下降，或者法兰联接中联接件（如联接螺栓）与被联接件（如法兰，垫片等）在温度发生变化时其变形不协调而引起垫片应力的减少等等都会使原有的垫片预紧应力减少。因此，实际上只要使用目前按“强制密封”原理设计制造的垫片，上述这些问题几乎是不可避免的。但双金属自密封波齿复合垫片则完全不同，它是按“压力自密封”原理设计的。它的最大特点是利用被密封介质的压力来补偿和提高操作状态下的垫片应力，从而使垫片能始终保持其密封性。该复合垫片已获得国家专利授权^（1）。双金属自密封波齿复合垫片在构造上与现有的其他复合垫片（诸如缠绕垫、高强石墨复合垫）完全不同，也不同于作者90年代发明的专利产品－柔性石墨金属波齿复合垫片。双金属自密封波齿复合垫片是由两片金属叠合后，在其外（内）圆周通过熔焊方法将两者融合在一起而形成整体结构的“压力自密封”金属骨架，金属骨架上下表面加工有特殊设计的波齿状沟槽，特殊结构骨架的外表面复合上适当厚度的柔性石墨材料，最终构成了双金属自密封波齿复合垫片。该垫片内圆面（外圆面）的开口与介质接触，能够随着介质的波动而实现密封补偿。双金属自密封波齿复合垫片的基本结构如图所示。

1. 60万吨/ 年 PX 新建装置

   我公司新建的 60万吨/年 PX装置于2008年11月投产试车。在试车过程中发现有5种规格的法兰联接点发生泄漏而影响到新装置的投入使用。这五种规格的法兰参数分别为R101出口管法兰（PN 10.0 DN 600 法兰面型式RF），E101循环氢入口管法兰 （ PN10.0 ， DN 400 法兰面型式 RF），E101冷料出口副线法兰（PN10.0 ， DN150  法兰面型式 RF），E101热料入口副线法兰（PN11.0  DN 600 法兰面型式 MFM ），E101热料出口副线法兰（PN 11.0 ， DN500 法兰面型式 MFM）。系统设计温度为505 ℃ ,操作温度为330 ℃，介质为氢气、轻烃等。

   按设计要求，该装置曾三次更换缠绕式垫片以及波齿复合垫片等，但仍然无法密封，有时甚至连试水压都打不上。这说明，这些法兰联接点本身存在问题而影响到密封。在这种情况下，我公司与广州市东山南方密封件公司联系，希望他们能提供性能更好的产品。该公司当即决定试用其最新专利产品－双金属自密封波齿复合垫片，产品到达后即时安装，并进行水压试验，由2.0MPa至20.0MPa均一次打压成功。接着分别进行氮气和氢气气密性试验：氮气气密试验，从0.5MPa、1.0MPa直至1.5MPa三次试验，均能密封。接着再做氢气气密性检验，压力分别是0.5MPa、1.0MPa、2.0MPa、3.0MPa，四次气密试验都没有发现任何泄漏，垫片密封效果非常好，随即装置投料开车顺利投产。该垫片使用至今已超过2年，密封效果很好。

2.运行三部一工区Ⅲ焦化装置

   金陵石化分公司运行三部一工区III焦化装置的T3101AB顶部大油气管线第一道和第三道法兰（DN 600,PN5.0），管道内介质是油汽、瓦斯，此法兰处介质温度达到420 ℃，压力是0.23 MPa。在装置正常生产时，由于两座焦碳塔互相切换生产，因此T3101AB顶部大油气管线法兰处操作条件在24小时内由常温、常压骤升至温度达到420 ℃，压力为0.23 MPa的使用状况。在温度、压力波动使该处法兰连接更易出现泄漏、冒烟的情况。装置自2004年12月投用以来，此处法兰之间的密封泄漏就一直存在，即使采用碟形弹簧装置也无济于事。在这种情况下我们不得不每隔一个星期左右就要更换垫片，因而严重地影响生产。 2009年8月，在我公司了解到新建的60万吨/年PX装置使用了广州市东山南方密封件公司研制生产的专利产品－双金属自密封波齿复合垫片并取得很好效果的基础上，我们针对焦化塔（T3101A/B）顶部大油气管线法兰的密封问题提出了垫片升级的方案，将普通垫片更换成双金属自密封波齿复合垫片，并于2009年10月到现场进行安装试用，密封效果非常好，连续使用3个多月没有出现任何泄漏情况。车间表示非常满意。随后于2009年底又将焦化塔（T3101A/B）顶部大油气管线出来的第二道法兰的垫片改用了双金属自密封波齿复合垫片，同样取得很好的效果。

3.炼油运行一部Ⅲ套常减压装置

   炼油运行一部Ⅲ套常减压装置（800万吨/年）自2004年完成改造建设开车以来，该装置的一些重油、渣油系统的设备法兰一直都存在各种各样的密封难点。如初底油、渣油换热器E5-103/1-3（BES1200－4.0－6/25－2Ib；管程温度275～294℃，压力 1.13 MPa；壳程温度384～295℃，压力 2.45 MPa），其法兰之间的密封问题就很突出。当装置的操作压力、温度波动时就会出现泄漏、冒烟的情况，因而存在非常大的安全隐患。从2004年装置投用以来，经常拆法兰换垫片，公司曾设法寻找更换性能和质量更好的垫片，但收效都不大。长此以往，不仅使生产装置存在严重的安全隐患，还增加维修工作量和生产成本，现场面貌难看。2009年底，在该换热器上采用广州市东山南方密封件有限公司的专利产品－双金属自密封波齿复合垫片代替原来的垫片，2010年初安装试用，效果非常好，至现在已有超过一年多，这期间没有出现任何泄漏情况。

4. 2# 150万吨/年加氢裂化装置

（1）柴油/原料油换热器E1014/DN1600（管程1.20/壳程0.9MPa,管程236/212℃壳程134/160℃）、（2）循环油/第一分馏塔进料换热器E1015（LBEU1200-1.6-395-6/25-4, 管程/壳程1.0/0.82MPa,管程/壳程392/320℃）

（3）脱丁烷塔底重沸器E1017(BIU1200－2.5/2.5－394－6/25－2)

（4）航煤/脱丁烷塔进料换热器E1021(φ1100*8535*16,管程1.15MPa；壳程1.60MPa；管程208/120℃；壳程47.4/146℃）

（5）分馏炉出入口管线法兰PN5.0DN150；介质实际温度380℃；压力0.7-1.0MPa（塔底油管线垫片共30件）。

   以上各设备及管线法兰自2005年装置开工以来就经常发生泄漏，是该车间的老大难问题。有时工况操作稍微波动就发生泄漏，尤其是E1014和分馏炉出入口管线垫片,当操作稍微有波动（甚至是下雨天）,温度一有变化就经常发生泄漏、甚至冒烟着火等现象，非常危险。由于油料温度很高（塔底油温度更是高达380℃），高温油品的泄漏给生产造成很大的安全隐患。为此公司机动处和车间曾经也通过各种方法来解决，如更换各种垫片，但效果都不太理想。2010年3月份该装置检修时,公司决定对以上四台换热器及分馏炉出入口管线上的法兰安装自密封双金属波齿复合垫。投用后密封效果很好，至现在已有一年多时间，不再有任何泄漏现象，这期间曾经过开停工和多次工艺操作波动，均未发生任何泄漏，效果非常好。

5.从2008年底我公司新建某大型装置试用双金属自密封波齿复合垫片成功解决了该装置的密封难题起，到我们在三个在运装置试用，解决老大难问题，我们逐渐体会到双金属自密封波齿复合垫片确实能解决我们石化行业的密封难题。因而在这两年多时间里，我们逐步扩大双金属自密封波齿复合垫片在我公司的应用。至目前为止，我公司已在新建某大型装置的5个规格管线法兰、800万吨常减压装置2台换热器和5个规格管法兰、2011年大修的1#常减压装置6台换热器、焦化装置5台换热器及焦化塔大油气管线法兰、150万吨加氢裂化装置4台换热器和分镏炉出入口管线法兰、12万M³/年水煤浆制氢装置4台换热器安装使用了该专利垫片，均成功地解决了这些设备和管线法兰的密封难题。

一．新型双金属自密封波齿复合垫片的性能特点及其适用场合

   根据新型双金属自密封波齿复合垫片的工作原理、材料和结构特点以及我们的实际试用效果，我们感到该专利产品具有以下性能特点：

 1. 优异的密封性

   正如以往的柔性石墨金属波齿复合垫片那样，双金属自密封波齿复合垫片表面同样采用众所周知的密封性能优异的柔性石墨作为复合层，因而其密封性能特别优秀。特别是其特殊设计的波齿状结构骨架，其金属齿峰更起到多道金属线密封作用，而圆弧形沟槽上填充的柔性石墨材料不仅具有很好的密封贴合性而且能很好地补偿法兰表面的微观缺陷，因此垫片能像以往的柔性石墨金属波齿复合垫片一样具有金属线密封和柔性石墨密封的双重作用，使它在较低的垫片应力下即能达到极高的密封性^{（2）（3）（4）（5）（6）}。尤其是它的“压力自密封”作用使介质内压形成的附加应力是直接作用于密封表面的任何点上的（这与螺栓力通过法兰作用于密封表面上是不同的，因为法兰的刚性无法将螺栓力传递到密封面的凹下部位），因此能使密封面上任何凹下部位的应力都能得到提高和补充，因而能使密封面上包括凹下部分的任何部位都得到良好的密封。

 2.“压力自密封”结构使它能长期保持密封。

   由于双金属自密封波齿复合垫片的骨架设计成“压力自密封”结构，在操作状态下压力介质会变成附加的垫片应力，它随介质压力的存在而存在，最高可以达到介质的压力值。因此，在垫片的预紧应力不管是因垫片本身的特性（如应力松弛）还是因介质压力的升高或操作温度的波动等各种原因而减少时其垫片应力都会得到补偿和加强，从而使垫片始终保持高的垫片应力，因而其密封性能比现有的其他垫片更能得以长期保持。甚至在螺栓初始预紧应力接近消失的极端情况下，由于其“压力自密封”作用所形成的相当于介质压力的垫片应力的存在，垫片仍能保持一定密封性。

    3. 安全可靠性高

   双金属自密封波齿复合垫片的骨架是整体金属的，结构牢固，安全可靠。特别是它像普通柔性石墨金属波齿复合垫片一样的波齿状结构能使柔性石墨被紧密地封闭在金属骨架的凹槽与法兰面之间，从而使它具有像金属垫片一样的安全可靠性。由于它整体结构牢固，因而它克服了缠绕式垫片在高应力时容易被“压溃”或“失稳”而损坏的缺陷。

  4. 使用安装方便

   双金属自密封波齿复合垫片的整体刚性结构使它在运输和安装过程中不必担心像缠绕式垫片那样会“散架”，这对大直径管法兰和容器、换热器法兰尤其有利，而且它具有多种定位方式使它安装极为方便。

  5. 适应性广

   双金属自密封波齿复合垫片具有广泛适应性，只要选用相应的金属骨架材料就能用于各种工作场合。它既可用于低温（至－196℃）和高温(至600℃)，也可以用于低压和高压(42.0MPa)，亦可用于几乎所有腐蚀性流体的各种场合。而且特别适用于温度和压力波动的场合、大直径管法兰和容器（换热器）法兰、以及对密封性要求较高的重要场合。

   由此可见，我们认为，双金属自密封波齿复合垫片的研制成功，以其独特而优异的性能将为彻底解决各种装置（尤其是大型化，高参数的装置）的设备、换热器和管道的法兰联接泄漏难题提供非常有效的方法，可广泛用于石油，化工作为各种设备（如容器、换热器等），管道和阀门的法兰联接的理想密封元件。尤其在高温高压场合，压力温度波动变化的场合，法兰尺寸较大的场合和对密封性要求较高的重要场合下使用，更能充分显示双金属自密封波齿复合垫片的优异性能，从而为企业真正做到“安、稳、长、满、优”生产提供切实的保证。

参考文献

（1）实用新型专利： 《复合垫片》（专利号：ZL200720053323.3）

                      专利发明人：吴树济  刘秀英

(2) 实用新型专利：《改进型金属－膨胀石墨复合垫片》  （专利号：90215559.8）

               专利发明人：吴树济

（3）实用新型专利：《换热设备复合垫片》    （专利号：92215173.3）

               专利发明人：吴树济

（4）中国石油学会石油炼制委员会、中国石化设备管理协会、中国石化总公司重大设备国产化办公室      第六届石化设备密封学术讨论会论文 （1994年）

《波齿复合垫片及其在石化设备上的应用》

                    广州市东山南方密封件公司  吴树济（高级工程师）

（5）中国石油学会石油炼制委员会、中国石化设备管理协会、中国石化总公司重大设备国产化办公室     第七届石化设备密封学术讨论会论文 （1996年）

     《新一代法兰垫片－波齿复合垫片在石油化工设备上应用的新进展》

                       广州市东山南方密封件公司 吴树济（高级工程师）  钟海强

  （6）《波齿复合垫片及其应用》

             （内部汇总资料）（2010年5月）      广州市东山南方密封件公司