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高温法兰密封结构失效分析及对策

发表时间：2021/7/2 来源：《中国科技信息》2021年8月作者：刘建方龚坤

[导读] 高温物料输送设备在使用过程中发现存在局部泄漏，通过对设备的密封结构和密封失效原因分析，找到3个造成泄漏的主要原因，提出并落实改进措施，经试验验证，设备密封良好，改进措施有效果。

北京航天石化技术装备工程公司刘建方龚坤

摘要高温物料输送设备在使用过程中发现存在局部泄漏，通过对设备的密封结构和密封失效原因分析，找到3个造成泄漏的主要原因，提出并落实改进措施，经试验验证，设备密封良好，改进措施有效果。
关键词高温；密封失效；
随着我国的工业化的快速发展，工厂的数量和规模不断扩大，工厂需要各种输送设备保持固体原料和产品的有序流动，实现精确的物料流动工艺控制。高温物料输送设备用于将高温固体物料从一个设备输送到另一个设备，在输送过程中，由于高温物料可能散发对环境或人体有损害的气体，需要保证高温物料输送设备密封，无泄漏。目前高温输送设备研制难度大，使用过程中经常存在一些问题。在高温物料输送设备使用过程中发现存在多处泄漏，需对现有设备进行改进，排除泄漏。
物料一般由高温物料输送设备（见图 1）上部入口进入，在料槽中由螺旋推动物料前移，经下部出口排出，料槽是物料的输送通道，所以高温物料输送设备料槽的各个结构件装配后应密封。料槽主要由上端盖，料槽底和料槽侧端盖通过法兰连接而成。上端盖和料槽底方形法兰连接，料槽底和料槽侧端盖通过圆形法兰连接，法兰中间垫片为柔性石墨复合增强垫。

        1密封泄漏过程情况
        在设备运行过程中，发现装置上端盖和料槽底方形法兰连接处存在3处泄漏，有气体排出，其中两处靠近侧端盖，距离侧端盖水平距离约为5cm处，另外一处距离设备出口中心水平距离约30 cm处。由于整套设备处于运行阶段，采取在工况下进行热紧的处理方式，热紧后，泄漏量有所缓解，但是仍然存在泄漏。此后在不停车的情况下重新紧固全部螺栓，泄漏并未解决。使用紧固螺栓方法已经不能彻底解决密封问题。
        2设备法兰密封结构
        高温物料输送设备中的主要流动介质为高温固体颗粒物料，同时有部分高温气体，设备设计的基本数据见表 1。

        物料的温度为800℃，输送设备结构材料为不锈钢310S，不锈钢310S为铬镍型奥氏体不锈钢，具有很好的抗氧化性、耐腐蚀性，不锈钢310S具有良好的耐高温性。该不锈钢应用广泛，主要应用于高温炉、石油化工、机械行业、航空航天，还有石油化工等领域[1]。为了防止料槽结构温度过高，内部采用绝热材料降低料槽结构高温，所以结构的法兰处温度远低于物料工作温度。
        高温物料输送设备的上端盖和料槽底采用法兰连接形式（见图 2），法兰的密封面形式为全平面，全平面密封形式可以满足压力为Class 150的密封要求，密封压力范围远大于0.1MPa。垫片采用柔性石墨复合增强垫，该垫片可以满足压力为Class 600的密封要求，最高使用温度650℃，此温度高于垫片实际温度，由于内部采用了隔热材料，能够大幅度降低壳体结构温度，所以采用此种密封结构和密封材料能够满足使用要求。

        3造成设备密封失效的原因分析
        1)密封材料失效的分析
        柔性石墨复合增强垫结合了金属密封和非金属密封材料的双重优点，产品具有良好的可压缩性、回弹性和优良的密封性。此垫片是一种经济型垫片，在石化，金属冶炼，焦化，发电行业广泛使用。
高温物料输送设备连接法兰采用简单的全平面法兰，在经过几次预紧之后密封状况未发现改善。从设备上拆除密封垫片检查，通过对密封垫片外观检查，基本全部为黑色，内边缘有局部变色，从垫片颜色分析，垫片能够承受设备的温度，未超温使用。
        2)法兰表面质量
        法兰的密封表面质量一般要求为光洁度3.2 μm，而在检查法兰密封面过程中，发现密封面存在2个问题，其中一个为密封表面存在贯穿性划伤，存在一定深度，所以这是造成局部泄漏的一个重要原因（见图 3）。另外一个原因是焊接造成法兰平面凹凸不平，焊接后未对密封表面进行处理，这是造成密封面泄漏的另一个重要原因（见图 4）。

         3)螺栓规格
        根据 GB150-2011《压力容器》标准[2]，对螺栓截面积进行校核计算：
           (1)
        式中： b0 —基本密封宽度，mm
         N —垫片宽度，mm
        垫片的有效密封宽度 b及垫片压紧力作用中心圆直径DG 计算如下：
          (2)

           (3)
        式中： DG —压紧力中心圆直径，mm
        D3 —垫片外径，mm
       （1）垫片压紧力计算：
        a）预紧状态下垫片所需最小压紧力的计算式如下：
           (4)
        式中：Fa —预紧状态下垫片压紧力，N
         y —垫片比压，MPa
         b）操作状态下需要的最小垫片压紧力按下式计算：
           (5)
        式中： Fb —操作状态下垫片压紧力
    m —垫片系数
        （2）螺栓载荷按下式计算：
        a）预紧工况下螺栓载荷可按下列规定计算
           (6)
        式中： Wa —预紧状态下螺栓载荷，N
        b）操作状态下需要的最小螺栓载荷
            (7)
        其中， Wp —操作状态下螺栓载荷，N
         F —内压引起的总轴向力，N，
        （3）螺栓面积按下列规定确定
         a）预紧状态下需要的最小螺栓面积按下式计算：
             (8)
         式中： Aa —预紧状态下最小螺栓截面积，mm2
       []b? —预紧状态下螺栓许用应力，MPa
          b）操作状态下需要的最小螺栓面积按下式计算：
             (9)
         式中：A —操作状态下最小螺栓截面积，mm2
?     —操作状态下螺栓许用应力，MPa
          c）需要的螺栓面积Am 取Aa 与Ap 中的大值
        通过校核计算，发现法兰原配套材料为35CrMoA的M12x40螺栓的有效面积小于计算的最小螺栓截面积，使用小截面螺栓可能造成螺栓在使用过程中塑性变形，预紧力下降，不能提供密封垫片所需密封比压，造成泄漏。依据计算结果最小应选用M14螺栓，所以重新为设备配套同种材料的M14x40螺栓。
        4)其它因素
        在检查过程中发现其中2个堆成泄漏部位螺栓间距偏大，近似等于其它螺栓间距两倍，该部位位于水平法兰上，邻近料槽侧端盖。螺栓间距过大，同样能够造成垫片密封比压下降，同时螺栓直径偏小，预紧力不足，所以，此处泄漏直接原因为螺栓间距偏大。

        4改进措施
         1)密封表面处理
        针对密封表面缺陷和表面焊接不平问题，对密封表面进行现场打磨抛光处理，经打磨抛光处理后，表面粗糙度明显改善。
         2)更换螺栓
        依据校核计算，重新配套材料为35CrMoA的M14x40螺栓，螺纹规格从M12变为M14，截面积增大，材料和长度与原来使用螺栓材料和长度保持一致。
         3)增加螺栓
        在螺栓间距偏大部位邻近料槽侧端盖处，分别增加一个M14x40螺栓，增加的螺栓在保证安装空间的条件下，贴近料槽侧端盖，安装螺栓后，螺栓间距小于其它原来螺栓间距。
        5改进效果
        对高温物料输送设备连接法兰密封表面，螺栓规格，增加螺栓改造完成后，进行设备工作压力下气密试验，产品不泄漏，泄漏问题被排除，产品可以投入正常使用。
        6结束语
        本文针对高温物料输送设备密封泄漏问题，通过结构分析和计算，找出了三个影响密封的主要因素，在设备使用现场，完成对现有设备的密封结构改造，缩短了产品改造周期，降低了产品改造费用，同时保证了产品改造后质量，经改造后的设备，能够满足使用要求。
[1]申鹏, 杨赛, 李杰等. 固溶温度对310S 耐热奥氏体不锈钢组织和性能的影响. 热加工工艺. 2019年12月. 第24期:1-2.
[2]GB150.3-2011《压力容器》[S] :205-215.
作者简介
刘建方，男，1980年，工程师，毕业于北京航空航天大学，航空宇航推进理论与工程专业硕士研究生，目前从事设备设计工作。
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