莊春龍，周 強(qiáng)，何 雄、王方舟

（中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，四川綿陽(yáng) 621000）

0 引言

高溫閥門(mén)主要是在某試驗(yàn)設(shè)施的空氣加溫系統(tǒng)上使用。離心式壓縮機(jī)組出口的空氣經(jīng)過(guò)管式加溫爐加熱后通過(guò)高溫閥門(mén)供入用氣設(shè)備，介質(zhì)為壓縮空氣，最高溫度為500℃，最高壓力2.5 MPa。閥門(mén)都是采用法蘭連接，密封墊片采用金屬石墨纏繞墊。由于介質(zhì)為高溫高壓氣體，一旦泄漏會(huì)造成人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失。因此解決高溫閥門(mén)法蘭泄漏問(wèn)題意義重大。

1 泄漏情況

加溫系統(tǒng)的運(yùn)行方式是間歇性運(yùn)行，每次運(yùn)行時(shí)間約8 h，每次運(yùn)行主要是升溫、恒溫、降溫3個(gè)步驟。在使用過(guò)程中泄漏的表現(xiàn)方式是密封墊片破損造成介質(zhì)泄漏，經(jīng)拆去保溫層、更換密封墊片并將螺栓緊固后，泄漏情況得到控制，但使用幾次后又出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象，不能完全解決法蘭泄漏問(wèn)題。

2 原因分析

法蘭連接系統(tǒng)是螺栓、法蘭、墊片連接的整體，法蘭的密封性能是靠三者的共同作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其中墊片是實(shí)現(xiàn)密封的核心部件。通過(guò)螺栓的預(yù)緊力，墊片和法蘭密封面之間產(chǎn)生足夠的壓力，使墊片產(chǎn)生相應(yīng)的變形來(lái)填補(bǔ)法蘭密封面的微觀不平度，達(dá)到密封的目的。高溫閥門(mén)法蘭泄漏主要有以原因。

2.1 墊片的性能影響

由于承受較大的預(yù)緊應(yīng)力，墊片會(huì)產(chǎn)生蠕變和應(yīng)力松弛現(xiàn)象，且發(fā)生這種現(xiàn)象的機(jī)率隨溫度的升高而增大，這種現(xiàn)象在升溫過(guò)程中是逐漸變化的。目前高溫閥門(mén)使用的是金屬石墨墊片，但剛度較差，抗螺栓過(guò)載能力相對(duì)較弱。

2.2 高溫高壓的影響

（1）高溫高壓會(huì)降低墊片的回彈能力和實(shí)際密封性能，是影響法蘭密封的主要因素之一。

（2）就法蘭螺栓結(jié)構(gòu)來(lái)看，升溫過(guò)程中法蘭環(huán)從內(nèi)到外存在一定的溫度差，因熱量是從法蘭內(nèi)壁向外壁傳遞的，法蘭中靠近外壁部分的溫度變化比內(nèi)壁滯后一段時(shí)間。升溫初期，法蘭接管受熱升溫比法蘭環(huán)快得多，兩者熱漲量相差較大，接管的進(jìn)一步膨脹受到法蘭環(huán)的約束，從而使法蘭產(chǎn)生較大的向外張口角。

（3）高溫系統(tǒng)在升溫時(shí)，螺栓升溫滯后，法蘭升溫較快導(dǎo)致法蘭變形，墊片內(nèi)側(cè)被進(jìn)一步壓縮，墊片應(yīng)力增加，同時(shí)變形過(guò)大會(huì)使墊片產(chǎn)生塑性變形而降低了墊片的回彈能力。

2.3 升溫速率影響

（1）由于新技術(shù)的應(yīng)用，加溫爐的溫升速率較原加溫爐有明顯的提升，達(dá)到350℃/h。瞬間升溫過(guò)快，墊片會(huì)在短時(shí)間內(nèi)被過(guò)分壓縮，失去部分回彈能力，同時(shí)使法蘭產(chǎn)生了較大變形而降低了密封能力。此外，法蘭內(nèi)也會(huì)產(chǎn)生較大的不利于密封的瞬態(tài)熱應(yīng)力，瞬間降溫幅度過(guò)大同樣也會(huì)使法蘭在瞬間發(fā)生較大變形，并產(chǎn)生較大的瞬態(tài)熱應(yīng)力造成泄漏。

（2）溫度升降過(guò)快會(huì)導(dǎo)致管道、法蘭、墊片、螺栓之間的溫差加大，它們的應(yīng)力、應(yīng)變不能在瞬間完成相互的協(xié)調(diào)變化，導(dǎo)致法蘭密封性能下降甚至失效。

2.4 螺栓緊固的影響

（1）螺栓預(yù)緊的作用是通過(guò)螺栓的預(yù)緊力使法蘭壓緊墊片，使墊片產(chǎn)生變形，從而實(shí)現(xiàn)法蘭系統(tǒng)的密封，使墊片壓緊并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的密封性能。在一定范圍內(nèi)，預(yù)緊力越大，墊片的塑性變形越大，墊片與法蘭面貼的越緊，密封越好。預(yù)緊力不能過(guò)大，過(guò)大會(huì)導(dǎo)致墊片過(guò)度變形，而失去回彈能力，喪失密封性能。

（2）在螺栓緊固過(guò)程中，要保證螺栓預(yù)緊力均勻。如果法蘭面上的螺栓預(yù)緊力不均勻，會(huì)導(dǎo)致密封墊片上的預(yù)緊應(yīng)力不均勻，應(yīng)力最小的地方就成為了密封的最薄弱環(huán)節(jié)，而墊片上應(yīng)力最大點(diǎn)有可能超過(guò)墊片的壓潰強(qiáng)度導(dǎo)致密封墊的損壞，這些都是運(yùn)行過(guò)程中潛在的泄漏點(diǎn)。在實(shí)際的螺栓緊固的過(guò)程中，受制于現(xiàn)場(chǎng)操作空間和操作人員水平的問(wèn)題，沒(méi)有采用正確的螺栓上緊順序(十字交叉等距對(duì)稱(chēng))，大部分螺栓緊固都是采用順序緊固，導(dǎo)致各個(gè)螺栓的預(yù)緊力不一樣，這也是法蘭多次泄漏的原因之一。

2.5 建模分析

（1）對(duì)系統(tǒng)內(nèi)經(jīng)常泄漏的一個(gè)典型閥門(mén)進(jìn)行建模分析，閥門(mén)尺寸與結(jié)構(gòu)按照廠(chǎng)家資料給出。模型邊界條件：閥門(mén)工作溫度410℃，法蘭外壁120℃。閥門(mén)安裝在水平管道上，一端是固定連接，另一端無(wú)穩(wěn)定的固定形式，由于通過(guò)彎頭補(bǔ)償在擬合時(shí)不便建立模型，且管段最后有補(bǔ)償器，擬合不便，目前取2個(gè)彎頭旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)面固定來(lái)給予約束。環(huán)境溫度22℃。

（2）圖1為墊片的應(yīng)變分布圖，這里的剖分面為石墨墊片中面。對(duì)于墊片而言，其最大應(yīng)變點(diǎn)出現(xiàn)在墊片上部，與閥門(mén)的實(shí)際泄漏位置相符。

（3）圖2為墊片應(yīng)力分布云圖，應(yīng)力由于螺栓的布置而出現(xiàn)波動(dòng)，但整體趨勢(shì)較明顯，從圖2中可以看出，墊片應(yīng)力的最大點(diǎn)出現(xiàn)在墊片上、下兩個(gè)部分。

（4）圖3為螺栓應(yīng)力分布圖，從圖3中可以看出，螺栓應(yīng)力的最大點(diǎn)出現(xiàn)在閥門(mén)頂部法蘭連接的螺栓處。左右兩邊的法蘭有明顯的開(kāi)口現(xiàn)象。

根據(jù)上述分析結(jié)果，墊片應(yīng)力和應(yīng)變最大的點(diǎn)都在上部，與現(xiàn)場(chǎng)法蘭泄漏的實(shí)際情況相吻合。

圖1 墊片應(yīng)變分布云圖

圖2 墊片應(yīng)力分布云圖

圖3 螺栓應(yīng)力分布云圖

3 處理措施

3.1 更換密封墊片

（1）金屬石墨墊片不能在高溫高壓條件下反復(fù)使用過(guò)程中保證密封性能，將其更換為波齒型復(fù)合墊片。

（2）波齒型復(fù)合墊片適用于墊片回彈要求較高的場(chǎng)合，它有極好的熱傳導(dǎo)，能滿(mǎn)足高溫、高壓及易腐蝕的使用環(huán)境。墊片的骨架是金屬材料，通過(guò)機(jī)械加工的方式在金屬骨架的上下表面加工出相互錯(cuò)開(kāi)的拋物線(xiàn)型溝槽，在溝槽內(nèi)模壓出一定厚度的柔性膨脹石墨。墊片的密封屬于線(xiàn)性密封，金屬骨架具有很好的回彈性，在螺栓預(yù)緊力的作用下，石墨充滿(mǎn)法蘭面和溝槽之間，形成多道膨脹石墨密封圈，達(dá)到了對(duì)空氣的密封效果，保證了系統(tǒng)的密封性能。2種墊片性能對(duì)比情況見(jiàn)表1。

表1 2種墊片性能對(duì)比

3.2 更換螺栓

在之前的檢查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，不銹鋼螺栓出現(xiàn)了拉伸、彎曲變形的現(xiàn)象，在處理過(guò)程中，選用高強(qiáng)度螺栓，將法蘭緊固件（包括螺栓、螺母、平墊、彈墊）材質(zhì)由不銹鋼改為35CrMo，對(duì)螺栓施加更大的預(yù)緊力，從而保證法蘭的密封。

3.3 改善螺栓預(yù)緊技術(shù)

采用2把液壓專(zhuān)用扳手同步對(duì)稱(chēng)把緊螺栓，并采用十字對(duì)稱(chēng)的順序進(jìn)行預(yù)緊。螺栓的預(yù)緊扭矩采用推薦值，保證所有螺栓的預(yù)緊力一致。法蘭之間的不平行度控制在±0.2 mm之內(nèi)。

拆卸3次以上的螺栓在推薦扭矩值的基礎(chǔ)上加大5%～10%，定期對(duì)螺栓進(jìn)行檢查，及時(shí)更換舊件。

3.4 優(yōu)化運(yùn)行方案

升降溫速率過(guò)快會(huì)使管道、法蘭、墊片、螺栓之間不能協(xié)調(diào)同步變化，導(dǎo)致法蘭密封性能下降。為了減小這一影響，將系統(tǒng)的升溫速率由350℃/h降至150℃/h，降溫速率也相應(yīng)減小。

4 處理結(jié)果

加溫系統(tǒng)高溫閥門(mén)法蘭密封泄漏的問(wèn)題經(jīng)過(guò)反復(fù)研究、摸索,相繼采用以上處理措施后,取得了明顯的效果。在最近半年幾十次的試驗(yàn)運(yùn)行過(guò)程中，加溫系統(tǒng)高溫閥門(mén)沒(méi)有任何泄漏現(xiàn)象，事后對(duì)螺栓進(jìn)行檢查，并沒(méi)有松動(dòng)現(xiàn)象，且法蘭的不平行度也在控制范圍內(nèi)。說(shuō)明采取的處理措施有效,解決了高溫閥門(mén)法蘭泄漏的難題，保證了系統(tǒng)的安全運(yùn)行，在國(guó)內(nèi)同類(lèi)型高溫法蘭泄漏處理上具有推廣及應(yīng)用價(jià)值。