革命性纏繞墊片(Change? )助力安全生產

文/王海峰

泄漏控制是安全生產的重要環節，也是工廠高效、長周期運行的基礎——越來越嚴苛的低排放法規正在逐步出臺。螺栓連接系統作為泄漏和排放的潛在來源，是重點整改對象，提升墊片技術是即刻見效的最經濟的方式。此外，操作單元都在升級，要求墊片提供更好的密封和更長運行周期，突破裝置運行的瓶頸。目前墊片技術的短板很有改進的必要。

目前用于苛刻工況的高性能墊片主要是纏繞墊和齒形墊，隨著生產裝置逐步延長在高溫、

高壓工況下的運行周期，纏繞墊和齒形墊的缺點日益凸顯。一款名為“纏革（Change?）”的墊片，率先在半金屬墊片行業取得突破性進展。“纏革”墊片兼具纏繞墊和齒形墊的特點，其卓越的回彈性可提供超常的密封效果。本文旨在通過概念解析、設計特點和性能參數來探討當前墊片的局限性及纏革墊片的優越性，并介紹這款革命性墊片的成功應用案例。

當前半金屬墊片技術進展

所有墊片都具備各自的優勢和劣勢。每個裝置必須根據法蘭形式、法蘭面狀態、溫度、壓力、介質、危險等級和運行周期等工況來評估最合適的墊片。

半金屬墊片包括纏繞墊、齒形墊、波紋墊和金屬包覆墊。金屬包覆墊曾是最常用的設備墊片，但金屬包覆墊回彈性差，加之金屬面密封本就困難，這些共同導致了數不清的泄漏問題，金屬包覆墊逐漸被淘汰。波紋墊前期投入較低，但是有不少被吹爆（甚至在凹凸面法蘭）、芯板壓壞和泄漏的案例，并且波紋墊不能用于突面法蘭。

纏繞墊和齒形墊是歷史上應用最成功的兩款半金屬墊片。纏繞墊是由福來西在 1912 年發明，其特色結構是由預成型的“V”形薄鋼帶和柔性填料纏繞而成。齒形墊大概一個世紀以前誕生于德國，由表面呈鋸齒狀的金屬芯板覆上柔性貼面材料而成。

纏繞墊和齒形墊的劣勢

纏繞墊的局限性

纏繞墊因其纏繞結構有著與生俱來的回彈性，但并非沒有缺點。ASME B16.20 推薦石墨纏繞墊要帶內環，并且強制要求大尺寸/高壓等級的石墨纏繞墊與所有的 PTFE 纏繞墊必須帶內環。即使帶上內環和外環，大尺寸纏繞墊結構依舊不穩定，容易散架。

圖 1 典型的半金屬墊片截面圖

纏繞墊的另一個劣勢是其高達 69 MPa 的最小安裝應力。為了獲取更高的緊密度和更低的泄漏量，安裝應力最好能超過69 MPa。纏繞墊有低應力型，但只能用于低壓工況。對于發生泄漏需要重新設計墊片的法蘭連接，在螺栓力不充足的情況下，達到纏繞墊所需最小安裝應力十分困難。例如，墊片設計者需要經常替換換熱器上易泄漏的金屬包覆墊。不幸的是，絕大部分換熱器法蘭的設計只需滿足鍋爐與壓力容器（B&PV）計算方法的最低所需螺栓力，該計算方法并沒有考慮分程隔板面積、泄漏率、緊密度或排放量。這類案例中，由于螺栓力無法滿足纏繞墊的最小安裝應力（大于金屬包覆墊），金屬包覆墊無法升級成纏繞墊。

齒形墊的局限性

ASME B16.20 標準近年引入了齒形墊，將其定義為具有貼面的齒形金屬墊片（GMCL）。齒形墊比纏繞墊有更好的可操作性，齒形墊的優勢在于低安裝應力（17.2 MPa但實際操作最好按34.5 MPa），并且是一款低泄漏墊片。不幸的是，齒形墊本體是堅固的金屬，回彈性并不好。齒形墊僅有的回彈來自貼面材料，對于墊片整體來說這個回彈量非常小。齒形墊有大量成功的應用，但是當法蘭存在熱交變或者換熱器兩側法蘭熱膨脹不同步時，齒形墊密封通常需要借助碟簧并且每次熱交變都需要復緊。

這些防漏措施增大了操作復雜性，工時費用，乃至運行風險。關于操作復雜性，碟簧需要按照特定的方向安裝，每個墊圈需要特定載荷，這個載荷必須滿足墊片所需安裝應力同時不能過載，這需要精準的安裝（最好用液壓扳手），而其余更通用的安裝方式無法滿足精度要求。同時，也要考慮每次熱交變過程中復緊花費的時間，這會顯著影響裝置開車進度。最后一點，如果運行過程中發生泄漏，熱緊操作人員將處于高危狀態。

纏革墊片

纏革墊片是一款技術領先的半金屬墊片。纏革墊片克服了現有墊片的局限性，進一步降低了螺栓連接系統的泄漏和排放。

纏革墊片結合了傳統纏繞墊和齒形墊的特點，另一個提升在于其獨創升級的纏繞鋼帶，纏革墊片的鋼帶比傳統纏墊的厚5倍。全新的厚重型鋼帶模仿了齒形墊表面的鋸齒狀邊緣結構。纏革墊片的鋼帶像纏繞墊一樣和填料纏繞結合，并通過針對性優化的激光焊接工藝牢牢結合。最終，像齒形墊一樣在表面覆上非金屬材料，纏革墊片就大功告成了。請參照圖 2 ～5。

纏革墊片的最小安裝應力大概44 MPa，比金屬包覆墊和纏繞墊都小。經評估，纏革墊片是一款高強度且回彈性極佳的半金屬墊片，甚至超過了 HT X-750 纏繞墊。

熱循環測試

熱循環對于靜密封來說是最苛刻的工況之一，法蘭連接隨著溫度交變而發生不同程度的形變，嚴重的泄漏隨之而來。眾所周知的殼牌熱循環測試，20多年來一直被用作墊片資格預審，殼牌熱循環測試可以很全面地評估墊片的有效回彈性能。

熱循環測試平臺（見圖 6 和圖 7）包括一對 ASME B16.5 標準的 NPS 4 / Class 300 突面法蘭，還包括工裝內部的加熱元件。相比靠進出爐子控制溫度，內部加熱最大程度模擬了真實工況。

某知名煉油企業建議了一個包含 24 次熱循環的測試方案，用于對比纏革墊片和常用半金屬墊片的性能。該測試模擬了常規煉油廠在2次大修之間（大約 4年）的潛在溫度波動，并且期間不對螺栓進行復緊。清洗工裝，并以 2℃/ min的速率將工裝加熱到320℃，同時用氮氣充壓至3.3 MPa。將工裝隔離開，放置1 h，記錄介質壓力。然后將工裝自然冷卻至室溫，再進行下一次熱循環。每次熱循環大約花費24 h，24次熱循環測試不間斷進行。

圖 2 纏革墊片剖面圖展現出：類似纏繞墊的纏繞結構，類似齒形墊的貼面

圖 3 厚重型纏繞鋼帶，其邊緣倒角模仿齒形墊的鋸齒形狀

圖 4 貼面之下的纏革鋼帶結構

圖 5 纏革墊片外圈上的激光焊點

圖 7 熱循環測試工裝照片

圖 8 熱循環測試結果—介質壓力 VS 循環次數

24次熱循環后的最大允許壓降為0.1 MPa。 除波紋墊，所有的測試墊片都是按照福來西工藝標準生產，波紋墊通過經銷商外采。墊片材料都采用 300 系列不銹鋼和石墨，纏繞墊樣品均帶內外環,測試結果見圖 8。

圖 8 可以看出，纏革墊片的表現遠遠超過其它所有墊片，纏革墊片測試過程中只損失了0.01 MPa的壓力。值得注意的是，常用的纏繞墊和齒形墊并不能通過測試。波紋墊的表現最差，部分原因是測試工裝采用了突面法蘭，波紋墊通常不建議用于突面法蘭。

成功應用

盡管纏革墊片可以用于標準突面法蘭，其最理想的應用位置在于換熱器。不僅僅是熱循環工況下，換熱器法蘭面溫度不均（例如多管程換熱器）帶來的挑戰,同時墊片表面也會受到剪切，這源于殼程法蘭、管板和管程法蘭熱脹冷縮不同步。纏革墊片自 2012年引入，至今累計銷售超過10萬片，許多成功應用已經記錄在案。

表 1 為纏革墊片在近年來國內外的部分應用，涉及到石墨纏革墊片、高溫固力特纏革墊片對石墨纏繞墊片以及金屬包覆墊等的替換。

表 1 纏革墊片應用業績

纏革墊片目前用于解決來自各行各業的密封問題，如化工、金屬加工、液化天然氣、設備廠、電力、造紙和煉油行業。第一片纏革墊片的應用可以追溯到 2012年。到目前為止，大部分纏革墊片都用于其它墊片密封失效的工況。每一個成功應用都在用事實證明纏革墊片在苛刻工況下的卓越密封性能。

結論

螺栓連接的可靠性經常沒有受到應有的重視，螺栓連接不到位可能導致裝置停車，甚至引發安全事故。將螺栓連接中的墊片升級，使其能承受計劃內和非預期的熱交變，使用可立即提高裝置整體可靠性。這款全新的纏革墊片是專門為此而設計，其回彈性能勝過行業內應用最成功的墊片。纏革墊片為裝置進一步減少泄漏和排放提供了新的機遇。基于測試結果和當前實際應用表現，纏革墊片帶來的提升包括：取消碟簧降低操作復雜性；減少螺栓復緊花費的工時；無須熱緊，大大降低了操作風險；為工廠安全高效運行提供重大助力。