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缠革(Change)垫片——创新型高回弹低泄漏垫片
- 2020-03-03-

摘要:目前用于关键工况的高性能垫片主要是缠绕垫和齿形垫。近几十年来,高性能半金属密封技术并没有取得重大突破,随着生产装置逐步延长在高温、高压工况下的运行周期,缠绕垫和齿形垫的缺点日益凸显。一款名为“缠革”的垫片,率先在半金属垫片行业取得突破性进展。“缠革”垫片兼具缠绕垫和齿形垫的特点,其卓越的回弹性可提供超常的密封效果。本文旨在通过概念解析、设计特点、性能参数来探讨当前垫片的局限性及缠革垫片的优越性,并介绍这款革命性垫片的成功应用案例。

关键词:回弹,热循环,缠革垫片,半金属垫片

前言

       目前,工厂的可操作性和可靠性都在逐步提高,都将100%无泄漏运行作为目标。越来越严苛的低排放法规正在逐步出台。螺栓连接系统作为泄漏和排放的潜在来源,是重点整改对象。提升垫片技术是即刻见效的最经济的方式。此外,操作单元都在升级,要求垫片提供更好的密封和更长运行周期,突破装置运行的瓶颈。目前垫片技术的短板以及改进的必要性都是显而易见的。

1 当前技术进展

       所有垫片都具备各自的优势和劣势。每个装置必须根据法兰形式、法兰面状态、温度、压力、介质、危险等级、运行周期等工况来评估最合适的垫片。由于垫片的型式和材料众多,本文只会提及一部分,而焦点会放在缠绕垫和齿形垫是如何催生缠革垫片的发明的。

1.1 非金属板材

       化工行业传统上使用各式PTFE、橡胶和纤维板材。非金属板材的三项常见挑战:1)吹爆风险较大;2)种类过多,选型困难;3)绝大部分不满足防火安全。

       关于防吹爆,板材垫片不像缠绕垫有一个外支撑环。尽管可以测试板材的抗吹爆能力,但并不能保证不发生吹爆。考虑到这个因素,许多化工厂选择缠绕垫用于钢法兰,这样即使法兰连接失效,也只会发生泄漏而不会发生垫片吹爆。第二个挑战是板材垫片库存种类过多,易导致工人用错垫片。像这样的小错误造成了大量停机事故。最后,尽管有各种各样的防火测试标准(API 6FB是目前最严格的防火测试标准),但只有石墨和膨化蛭石被广泛认定是防火安全的。

1.2 半金属垫片

       半金属垫片包括缠绕垫、齿形垫、波纹垫和金属包覆垫。金属包覆垫曾是最常用的设备垫片,但金属包覆垫回弹性差,加之金属面密封本就困难,这些共同导致了数不清的泄漏问题,金属包覆垫逐渐被淘汰。波纹垫前期投入较低,但是有不少被吹爆(甚至在凹凸面法兰)、芯板压坏、泄漏的案例,并且波纹垫不能用于突面法兰(1)。

       缠绕垫和齿形垫是历史上应用最成功的两款半金属垫片。缠绕垫是由福来西在1912年发明,其特色结构是由预成型的“V”形薄钢带和柔性填料缠绕而成。齿形垫大概一个世纪以前诞生于德国,由表面呈锯齿状的金属芯板覆上柔性贴面材料而成。


2 缠绕垫和齿形垫的劣势

2.1 缠绕垫的局限性

       缠绕垫因其缠绕结构有着与生俱来的回弹性,但并非没有缺点。ASME B16.20推荐石墨缠绕垫要带内环,并且强制要求大尺寸/高压等级的石墨缠绕垫与所有的PTFE缠绕垫必须带内环(2)。即使带上内环和外环,大尺寸缠绕垫结构依旧不稳定,容易散架。

即使缠绕垫是一种高回弹设计,剧烈循环工况下仍需要特殊的钢带材料——热处理Inconel X-750 (HT X-750),HT X-750钢带能提供双倍的有效回弹(运行状态下的回弹)(3)。

       缠绕垫的另一个劣势是其高达69MPa的最小安装应力。为了获取更高的紧密度和更低的泄漏量,安装应力最好能超过69MPa。缠绕垫有低应力型,但只能用于低压工况。对于发生泄漏需要重新设计垫片的法兰连接,在螺栓力不充足的情况下,达到缠绕垫所需最小安装应力十分困难。例如,垫片设计者经常需要替换换热器上易泄漏的金属包覆垫。不幸的是,绝大部分换热器法兰的设计只需满足锅炉与压力容器(B&PV)计算方法的最低所需螺栓力,该计算方法并没有考虑分程隔板面积、泄漏率、紧密度或排放量。这类案例中,由于螺栓力无法满足缠绕垫的最小安装应力(大于金属包覆垫),金属包覆垫无法升级成缠绕垫。

2.2 齿形垫的局限性

       ASME B16.20标准近年引入了齿形垫,将其定义为具有贴面的齿形金属垫片(GMCL)。齿形垫比缠绕垫有更好的可操作性,齿形垫的优势在于低安装应力(17.2MPa(4)但实际操作最好按34.5MPa),并且是一款低泄漏垫片。不幸的是,齿形垫本体是固态金属,回弹性并不好。齿形垫仅有的回弹来自贴面材料,对于垫片整体来说这个回弹量非常小。齿形垫有大量成功的应用,但是当法兰存在热交变或者换热器两侧法兰热膨胀不同步时,齿形垫密封通常需要借助碟簧并且每次热交变都需要复紧。

       这些防漏措施增大了操作复杂性,工时费用,乃至运行风险。关于操作复杂性,碟簧需要按照特定的方向安装,每个垫圈需要特定载荷,这个载荷必须满足垫片所需安装应力同时不能过载,这需要精准的安装(最好用液压扳手),而其余更通用的安装方式无法满足精度要求。同时,也要考虑每次热交变过程中复紧花费的时间,这会显著影响装置开车进度。最后,如果运行过程中发生泄漏,热紧操作人员将处于高危状态。

3 缠革垫片

       缠革垫片是一款技术领先的半金属垫片。缠革垫片克服了现有垫片的局限性,进一步降低螺栓连接系统的泄漏和排放。

3.1 设计

       缠革垫片结合了传统缠绕垫和齿形垫的特点,另一个提升在于其独创升级的缠绕钢带,缠革垫片的钢带比传统缠垫的厚五倍。全新的厚重型钢带模仿了齿形垫表面的锯齿状边缘结构。缠革垫片的钢带像缠绕垫一样和填料缠绕结合,并通过针对性优化的激光焊接工艺牢牢结合。最终,像齿形垫一样在表面覆上非金属材料,缠革垫片就大功告成了。请参照图2至图5。

       缠革垫片的最小安装应力大概44MPa,比金属包覆垫和缠绕垫都小。经评估,缠革垫片是一款高强度且回弹性极佳的半金属垫片,甚至超过了HT X-750缠绕垫。

4 回弹

       垫片的回弹性是必不可少的,体现在:克服化工生产过程中不可避免的温度波动;克服计划停车和临时停车带来的温度波动(并不是每个垫片都会在停车过程中换新);克服两侧法兰热胀冷缩不同步(常见于换热器);克服邻近管道设备造成的弯曲和应力。

4.1 压缩和回弹

       压缩/回弹试验是指,测量垫片在给定载荷下的压缩量和卸掉载荷后的回弹量。压缩率习惯上被定义为压缩量占初始厚度的百分比;回弹率被定义为回弹量占压缩量的百分比。由于回弹率是关于压缩量的函数,在讨论回弹性时必须要考虑压缩量,直接比较回弹率(不考虑压缩量)是一个常见的错误。

       表1展示了常见半金属垫片的测试结果。为有助于直接比较,最后一列展示了回弹量和初始厚度的比率,这就考虑了压缩率的因素。这些垫片样品都是按照“福来西工程标准”制造。除了热处理Inconel X-750钢带的缠绕垫,所有样品都由300系列不锈钢和石墨作为原材料。

表1.压缩率Vs.回弹率,18000psi(124MPa)垫片应力


       缠革垫片储存的大量弹性势能造就了其超常的回弹性能。缠革垫片的回弹性是测试垫片里最好的,回弹量占到初始厚度的10.2%,是齿形垫的6.8倍,比标准缠绕垫高30%,比过去回弹性最强的HT X-750缠绕垫还高24%。

4.2 热循环测试

       密封行业和一些主要的终端用户开发了一系列测试,用于判定垫片的密封性能和系数。垫片厂家将这些测试当作内部质量控制流程的一部分或用于指导产品开发。某些测试也会被终端用户指定为供应商准入型式试验。典型的例子,众所周知的壳牌热循环测试,二十多年来一直被用作垫片资格预审。壳牌热循环测试可以很全面地评估垫片的有效回弹性能。

       这个由终端用户设计的测试平台(见图6和图7)包括一对ASME B16.5标准的NPS 4/Class300突面法兰,还包括工装内部的加热元件。相比靠进出炉子控制温度,内部加热最大程度模拟了真实工况。使用液压扳手安装垫片,对ASTM A193 B16 UNC螺栓施加290MPa(42 ksi)的预应力。测试温度和测试压力保持在B16.5法兰对应等级的工作范围。热循环测试前,要做一个初始筛选试验:用氮气将工装加压到51 bar(740 psi),一小时后,最大允许压降为1 bar。如试验通过,即可进行热循环测试。

       某知名炼油企业建议了一个包含24次热循环的测试方案,用于对比缠革垫片和常用半金属垫片的性能。该测试模拟了常规炼油厂在两次大修之间(大约4年)的潜在温度波动,并且期间不对螺栓进行复紧。清洗工装,并以2℃/分钟的速率将工装加热到320℃,同时用氮气充压至33 bar。将工装隔离开,放置一小时,记录介质压力。然后将工装自然冷却至室温,再进行下一次热循环。每次热循环大约花费24小时,24次热循环测试不间断进行。24次热循环后的最大允许压降为1 bar。

       除波纹垫,所有的测试垫片都是按照福来西工艺标准生产,波纹垫通过经销商外采。垫片材料都采用300系列不锈钢和石墨,除了钢带为热处理InconelX-750的缠绕垫。缠绕垫样品都带内外环。测试结果见图8。

图8. 热循环测试结果——24次常温至320℃循环

       缠革垫片测试过程中只损失了1.5 psig的压力,更胜HT X-750钢带的缠绕垫,而过去一直认为HT X-750钢带缠绕垫是热循环工况下的最佳选择。比起HT X-750钢带缠绕垫,缠革垫片成本更低。值得注意的是,常用的缠绕垫和齿形垫并不能通过测试。波纹垫的表现最差,部分原因是测试工装采用了突面法兰,波纹垫通常不建议用于突面法兰。

5 成功应用

       尽管缠革垫片可以用于标准突面法兰,其最理想的应用位置在于换热器。不仅仅是热交变工况下,换热器法兰面温度不均(例如多管程换热器)带来的挑战。同时垫片表面也会受到剪切,这源于壳程法兰、管板和管程法兰热胀冷缩不同步。缠革垫片自2012年引入,至今累计销售超过十万片,许多成功应用已经记录在案。

5.1 成功应用案例1 ——硝酸装置换热系统

       硝酸生产工艺起于氨气和空气在铂网催化剂上反应。该反应是高放热反应,温度可达927℃。反应器连接着一连串换热器。氧化反应会一直进行,而对流的气流带走了产生的热量。催化剂每70~90天会更换,这意味着一次回到常温的热交变。如果铂网在运行期间脱落,装置同样会遭受一次意外的热交变。因此,换热系统经常经历热交变,而这个过程中垫片往往不会更换。交变范围低至常温~454℃,高至常温~760℃(5)。自2013年9月,缠革垫片提升了该硝酸换热系统的螺栓连接可靠性,帮助装置成功摆脱泄漏和意外停机困扰。三家硝酸生产厂家的详细工况如表2。

表2. 硝酸换热系统中的缠革垫片

       如上表,大尺寸的缠革垫片由4.5mm厚的钢带制成,结构坚固、不易散架,具有比传统缠绕垫更好的可操作性。

5.2 成功应用案例统计

       表3为缠革垫片在近年来国内外的部分应用,涉及到石墨缠革垫片、高温固力特缠革垫片对石墨缠绕垫片、金属包覆垫等的替换。

5.3 缠革垫片应用范围

       缠革垫片目前用于解决来自各行各业的密封问题,如化工、金属加工、液化天然气、设备厂、电力、造纸和炼油行业。第一片缠革垫片的应用可以追溯到2012年。到目前为止,大部分缠革垫片都用于其它垫片密封失效的工况。每一个成功应用都在用事实证明缠革垫片在苛刻工况下的卓越密封性能。

6 结论

       相比动设备和压力容器,螺栓连接并不是衡量装置可靠性的首要考虑因素。然而,螺栓连接不到位很容易导致装置停车。升级螺栓连接系统里的垫片,可立即提高装置整体可靠性,这要求设备和系统内的垫片能承受计划内和非预期的循环工况。这款全新的缠革垫片是专门为此而设计,其回弹性能胜过行业内应用最成功的垫片。缠革垫片为装置进一步减少泄漏和排放提供了新的机遇。基于测试结果和当前实际应用表现,缠革垫片带来的提升包括:取消碟簧降低操作复杂性;减少螺栓复紧花费的工时;无须热紧,大大降低了操作风险(5)。

7 参考文献

(1)       基于福来西数十年的应用工程经验和密封失效分析

(2)       标准ASME B16.20 – 2017管道法兰用金属类垫片

(3)       福来西设计手册28页

(4)       根据福来西工艺

(5)       福来西推荐对所有垫片采取正规安装方法