人孔法蘭墊片失效原因分析

王杜娟 王 強(qiáng) 陳 勇 劉 洋 王 樂(lè)

(中國(guó)石油化工股份有限公司天津分公司，天津 300271)

0 前言

某設(shè)備封頭人孔法蘭墊片安裝后失效，造成物料泄漏。該墊片制造標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行HG 20631-1997《鋼制管法蘭用纏繞式墊片》。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 宏觀檢驗(yàn)

該墊片屬于帶內(nèi)外環(huán)形墊片，見(jiàn)圖1。送檢墊片外環(huán)完整，纏繞墊及內(nèi)環(huán)均斷裂。纏繞墊呈有規(guī)律性波浪形，與用于固定法蘭的螺栓間距相吻合，見(jiàn)圖2。墊片外環(huán)存在彎曲變形，表面有3條沿徑向擴(kuò)展裂紋。

墊片內(nèi)環(huán)彎曲變形較明顯，部分環(huán)面上存在環(huán)狀凹槽，端面存在較多貫穿上下環(huán)面的裂紋，見(jiàn)圖3、圖4。

圖1 墊片的型式

圖2 送檢墊片

圖3 內(nèi)環(huán)靠近纏繞墊處凹槽

圖4 內(nèi)環(huán)外徑端面處裂紋

1.2 尺寸測(cè)量

對(duì)失效墊片內(nèi)環(huán)厚度、內(nèi)環(huán)寬度、外環(huán)厚度、外環(huán)寬度，纏繞金屬絲厚度進(jìn)行測(cè)量，數(shù)據(jù)見(jiàn)表1所示。

HG20631-1997《鋼制管法蘭用纏繞式墊片》中要求內(nèi)環(huán)及外環(huán)厚度為3.0-3.3mm，實(shí)測(cè)內(nèi)環(huán)厚度低于標(biāo)準(zhǔn)要求，纏繞金屬絲厚度符合標(biāo)準(zhǔn)要求偏差范圍。

實(shí)測(cè)外環(huán)最大外徑為6 9 6 m m，最小外徑為6 9 5 m m。圖紙?zhí)峁┑膲|片尺寸為Φ696.3×571.5×520.7×495.3×4.5mm(數(shù)值分別為：外環(huán)外徑、纏繞墊外徑、纏繞墊內(nèi)徑、內(nèi)環(huán)內(nèi)徑、纏繞墊厚度)。實(shí)測(cè)外環(huán)外徑與圖紙?zhí)峁┑臄?shù)值相近。

根據(jù)實(shí)測(cè)外環(huán)最大、最小外徑平均值減去外環(huán)寬度平均值計(jì)算外環(huán)內(nèi)徑，695.5-52.31×2=590.88mm，得出外環(huán)內(nèi)徑為590.88mm。對(duì)于D型纏繞墊片，圖紙?zhí)峁┑睦p繞墊外徑略大于外環(huán)內(nèi)徑，實(shí)際測(cè)量?jī)烧叩牟钪导s2.5mm。綜合上述計(jì)算得出，實(shí)際纏繞墊外徑為590.88+2.5=593.38mm，比圖紙?zhí)峁├p繞墊片外環(huán)大21.88mm，嚴(yán)重偏離標(biāo)準(zhǔn)值。由于內(nèi)環(huán)已經(jīng)破裂，無(wú)法測(cè)量其內(nèi)外徑。

表1 墊片尺寸、厚度測(cè)量結(jié)果，mm

1.3 光譜檢測(cè)

對(duì)失效墊片進(jìn)行合金元素光譜材質(zhì)檢測(cè)，詳細(xì)見(jiàn)表2。廠方提供圖紙上要求墊片外環(huán)為Q235，內(nèi)環(huán)為304，纏繞墊金屬部分為304，非金屬部分為四氟。從檢測(cè)結(jié)果判斷，外環(huán)使用材料錯(cuò)誤，內(nèi)環(huán)Cr含量偏低。

表2 光譜材質(zhì)檢測(cè)結(jié)果wt%

2 失效原因分析

由宏觀檢驗(yàn)可知，墊片外環(huán)彎曲變形情況說(shuō)明安裝過(guò)程中存在不均勻的預(yù)緊力。纏繞墊有規(guī)律性的波浪形，存在與法蘭固定螺栓間擠壓的痕跡，說(shuō)明存在兩種可能性：一是在安裝過(guò)程中，纏繞墊在過(guò)大預(yù)緊力的作用下變形產(chǎn)生；二是泄漏過(guò)程中，物料壓力使纏繞墊變形。墊片只在內(nèi)環(huán)的部分環(huán)面上有凹槽，凹槽是在預(yù)緊力大的部位產(chǎn)生，說(shuō)明安裝過(guò)程中存在預(yù)緊力不均勻。內(nèi)環(huán)變形方向垂直于環(huán)面方向可推斷，其失效前已偏離人孔密封面，進(jìn)入容器內(nèi)部。

由尺寸測(cè)量中纏繞墊外徑大于標(biāo)準(zhǔn)值21.88mm，可推斷以下兩種可能：一是如果內(nèi)環(huán)內(nèi)徑符合標(biāo)準(zhǔn)要求，則纏繞墊寬度將大于標(biāo)準(zhǔn)值10.94mm；二是如果纏繞墊寬度符合標(biāo)準(zhǔn)要求，則內(nèi)環(huán)內(nèi)徑將大于標(biāo)準(zhǔn)值21.88mm。綜合以上情況，可推斷纏繞墊寬度大于標(biāo)準(zhǔn)寬度10.94mm。

當(dāng)纏繞墊寬度大于標(biāo)準(zhǔn)寬度，容易造成墊片剛度不足，預(yù)緊時(shí)便會(huì)產(chǎn)生壓縮超標(biāo)，會(huì)使墊片產(chǎn)生大量屈服，回彈性能明顯降低，密封性能顯著下降。同時(shí)，墊片在安裝過(guò)程中存在著預(yù)緊力不均勻，部分螺栓預(yù)緊力過(guò)大。

在上述因素的作用下，最終造成了墊片在使用后短期內(nèi)出現(xiàn)泄漏失效。

3 結(jié)論

纏繞墊寬度超標(biāo)、安裝時(shí)預(yù)緊過(guò)大且不均勻是造成人孔法蘭墊片失效的主要原因。

4 建議

(1)加強(qiáng)墊片購(gòu)置時(shí)的質(zhì)量檢驗(yàn)。

(2)現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)，預(yù)緊力應(yīng)保持適度均勻。