垫片密封失效的原因与预防措施

管道垫密封失效主要涉及八个方面的因素：垫片的性能、螺栓的预紧力、法兰的刚度及其密封面、管道的支承、管道法兰的安装、工艺操作、环境因素和在线检验。

（1）垫片的性能 垫片借助于螺栓的预紧载荷通过法兰实施压紧产生弹性塑性变形，填充法兰密封面之间的几何间隙，切断或阻止流体泄漏。垫片性能的选择对实现密封的效果影响很大。垫片的比压力y和垫片系数m是反映垫片性能的两个重要参数（表2-4），其数值与垫片的种类和材质有关。y值、m值越大，则垫片达到密封时需要的螺栓载荷越大。垫片的选用应依据对影响其密封性能诸因素的全面评价而进行，如y、m及管系的操作压力、操作温度、工作介质、法兰密封面的形式等。垫片的类型，对于高温、高压条件，多采用金属垫片；常压、中、低压、中温条件，多采用非金属垫片；对于介于两者之间的条件，多采用半金属垫片；对于温度、压力波动频繁的条件，则宜选用回弹性好的自紧式垫片。垫片的材料应满足良好的弹性复原性，即具有适当的柔软性，还应具有不污染密封介质、不腐蚀密封表面，且耐工作介质的腐蚀，材质不因低温而硬化脆断，也不因高温而软化塑流，以及应具有应力松弛较小的现象等性能。垫片的厚度，在低、中压的条件下，宜选用薄垫片，但在工作压力较高的情况下，则宜选用厚垫片。垫片的宽度，从承受螺栓压紧力分析，越窄越易夹紧，但其宽度的下限通常为大于5mm，对金属垫片，为了不产生过大的螺栓应力，取小宽度是一个重要原则。非金属垫片一般情况下不得重复使用，石棉橡胶垫片的使用寿命按1.5～2年控制。

表2-4 常用垫片形式、材料及其m、y值

（续）

（2）螺栓的预紧力足够的螺栓预紧力，是垫片实现可靠密封的一个重要因素。在管道法兰、垫片、螺栓、螺母装配过程中，螺栓的压紧力不可能全部转化为垫片的应力，尽管在螺栓的紧固过程中注意到按对角线成对进行紧固，并做到对称、均匀、逐渐紧固，达到松紧适度。且事实上在操作过程中也不可能保持一致，真正做到这一点是非常困难的，有诸多因素会影响螺栓的预紧力，如拧紧的工具和方法、操作人员及控制的精确度、螺栓与垫片的蠕变松弛及温度变化等都会导致螺栓力相对分散，见表2-5。

表2-5 螺栓力的分散性

由此可见，螺栓紧固之后，各个螺栓预紧力相差比较大。为了保持螺栓的预紧力均匀分布和安全可靠，紧固件的选用应按管道运行的工艺条件确定，应遵循以下原则。

1）商品级六角头螺栓螺母使用条件：①公称压力PN≤1.6MPa；②非剧烈循环场合；③配用非金属软垫片；④介质为非易燃、易爆及毒性危害程度较大的场合。上述“剧烈循环”场合，是指管道的位移应力σ_E≥0.8倍的位移许用应力[σ]_A，或者当量循环数n≥7000的场合。

2）商品级双头螺柱及螺母的使用条件：①PN≤4.0MPa；②配用非金属软垫片；③非剧烈循环场合。

3）除上述外，则应选用专用级螺柱（双头螺柱或全螺纹螺柱）和专用级螺母，配用缠绕垫、金属包覆垫、齿形组合垫、金属环垫等半金属或金属垫片，且使用35CrMoA、25CrMoVA等材料制造的高强度螺柱（双头螺柱或全螺纹螺柱）。

4）高温、剧烈循环场合或PN≥16MPa的高压条件下应选用全螺纹螺柱，且使用35CrMoA、25Cr2MoVA、06Cr19Ni10、06Cr17Ni12Mo2材料制造。在石油化工生产过程中，大多数压力管道的运行温度不同于安装时的温度，为了保持法兰连接螺栓的预紧力，高温或低温管道的法兰连接螺栓在试运行时，应按表2-6所列进行热态或冷态紧固。紧固管道螺栓时，管道最大内压应根据设计压力确定。当设计压力小于或等于6MPa时，热态紧固时的最大内压应为0.3MPa；当设计压力大于6MPa时，最大内压力为0.5MPa。冷态紧固应在卸压后进行，热态紧固或冷态紧固应在保持工作温度2h后进行。特别要指出的是，在高温或低温工艺条件下间断生产的压力管道，每一次开工生产都要按照规定进行热态或冷态紧固，否则就可能产生泄漏，甚至造成火灾、爆炸或中毒事故，这应该作为一条必须严格实施的工艺操作原则。

表2-6 管道螺栓热态、冷态紧固温度 （单位：℃）

（3）法兰刚度及其密封面 板式平焊法兰的刚度较差，在螺栓力的作用下，法兰变形引起密封面的转角而导致泄漏，适用于低压及公用工程场合，不得用于易燃、易爆及有毒的场合。带颈平焊法兰刚度较好，适用于中、低压场合，但不适用于剧烈循环条件下和有频繁大幅度温度循环的场合。带颈对焊法兰刚度好，是承载能力最好的法兰形式，也是石油化工装置配管广泛使用的法兰形式。法兰的密封面有四种形式。密封面形式和表面粗糙度对密封的效果影响较大，全平面的密封面，螺栓的预紧力难以达到足够大，当压力较高时垫片容易被吹掉而产生泄漏，密封面表面粗糙度Ra多选择6.3～12.5μm；带颈平焊法兰和带颈对焊法兰，多选用凸面、凹凸面或榫槽面的密封面，密封面的表面粗糙度Ra根据垫片的选用材料和工艺条件分别选用3.2～6.3μm或0.8～1.6μm。

（4）管道支承 管道的支承主要是要满足承重、限位和防振的需求。管道在工艺运行过程中，因位移、弯曲及脱离支架造成密封失效的情况时有发生，因此，管道支吊架形式的选择和支撑点位置的确定很重要。管道支吊架结构形式众多，但仅考虑其功能和用途时，大致可分为四大类，即承重支吊架、限制性支吊架、恒力支吊架及防振支架，其用途见表2-7。管道支吊架形式的选择一般应遵循以下原则：(www.xing528.com)

表2-7 管道支吊架的分类及用途

1）应按照支承点所承受的荷载大小和方向，管道的位移趋势，工作温度，保冷或保温，管道的材质等诸因素选用合适的支吊架。

2）应尽可能选用焊接型的标准管卡、管托和管吊。

3）防止管道产生过大的横向位移及承受冲击荷载。

4）架空敷设的管道热（冷）胀（缩）量超过100mm时，应选用加长管托，以免管托滑到管架梁下。

5）管道在支承点处有向上垂直或向下垂直位移时，选用一般刚性支架将阻挡管道的位移，可选用可变弹簧支吊架。

6）管道在支承点有垂直位移，且要求支承力的变化范围必须限制在80%以内时，管道应采用恒力支吊架。管道支吊架的位置确定，需按相关的技术规定对管道的刚度条件、强度条件进行核算和选用。

（5）管道法兰的安装 工艺管道以法兰连接形成静密封，在工程中应用较为普遍。法兰连接的同轴度、平行度是影响静密封效果的重要因素，其平行度的偏差不大于法兰外径的1.52/1000，且不得大于2mm，不许用强紧螺栓的方法消除法兰的歪斜，法兰连接的同轴度应保持其螺栓孔中心线偏差一般不超过孔径的5%，并保证螺栓能自由穿入；与转动设备相连接的法兰的平行度、同轴度的允许偏差参照表2-8。

表2-8 法兰的平行度、同轴度允许偏差

法兰连接在下列情况下，其螺栓、螺母应涂以二硫化钼油脂、石墨润滑油或石墨粉：①不锈钢、合金钢制的螺栓、螺母；②管道的设计温度高于100℃或低于0℃；③露天装置；④有腐蚀介质或有大气腐蚀。特别是在工艺管道安装合格之后，管道不得再承受设计以外的任何附加载荷。

（6）工艺操作 工艺操作不当往往会造成静密封失效，压力、温度和介质是管道工艺操作的三项主要指标。超温、超压运行将导致管道尤其是在焊缝、法兰、螺栓等几何结构不连续处的局部应力大幅度增加形成峰值应力，有可能产生泄漏或脆性破坏。

控制交变应力，避免螺栓产生疲劳破坏。管道在工艺运行中，承受着交变载荷的作用，这是因为工艺运行中存在着腐蚀过程。在氯碱工业和沿海的石油化工企业中，由于工业大气和大气的腐蚀，造成紧固件失效而引起密封件泄漏的情况时有发生。所以对密封件的紧固需要按规定进行巡检，并及时进行更换，以保持法兰螺栓足够的预紧力。

（7）环境因素 环境腐蚀包括水腐蚀、大气腐蚀和土壤腐蚀，对于紧固件来说主要是大气腐蚀尤其是工业大气的严重腐蚀。污染物的变化及湿度与温度的变化，决定着工业大气的腐蚀强度，对于大多数工业结构合金来说，二氧化硫、硫化氢和氯将加速腐蚀过程。

（8）在线检验与维护 检验重点：重要生产装置或设备的进出口法兰连接处；处于生产流程要害部位的管段及工作条件荷载较大、介质温度较高且易燃、易爆、有毒、承受交变载荷的管段；压缩机、泵的进出口部位；补偿器、三通、弯头（弯管）、大小头及支管的连接处；管道支吊架及其损坏部位附近的管道组成件的连接处；曾经出现过影响管道安全运行的部位等。为了防止密封失效，应尽量避免不必要的频繁加压、卸压、升温和降温，避免过大的压力、温度波动，力求做到工艺平稳操作。