加氫裝置工藝管道八角墊密封問題分析與解決措施

孟永康 宋滿堂

摘 要：我公司在新疆克拉瑪依承建的某加氫裝置的八角墊在氮氣氣密時發生泄漏，現場經過反復拆裝仍無法滿足工藝要求。本文針對其泄漏問題，從八角墊及法蘭的材質、硬度、加工精度、螺栓的預緊力及損傷處理幾個方面分析了其泄漏原因，并提出了一些解決措施。

關鍵詞：八角墊;密封;泄漏;材質

1、背景概述

我公司承建的新疆克拉瑪依某加氫裝置，其設計壓力為9.01MPa，高壓部分工藝管道使用的是八角墊密封。在安裝過程中，水壓試驗一次合格，但是在氮氣氣密時發生泄漏，10#鋼的八角墊沒有發生泄漏，但是06Cr18Ni 11Ti（321）和316L材質的八角墊發生了不同程度的泄漏，經過反復拆裝并且用液壓扳手緊固時的預緊力達到了設計要求的120%仍無法滿足工藝要求。此問題嚴重影響了裝置的正常開工。

2、八角墊的密封原理

八角墊是用金屬材料由鍛造及熱處理和機械加工成截面形狀為八角型的實體金屬墊片，具有徑向自緊密封作用，是標準的R型金屬環墊的一種，其作用原理是是靠墊片與法蘭梯型槽的內外面（主要是外側面）的接觸，并通過壓緊從而形成密封作用。八角墊安裝在法蘭面的梯型環槽內，當擰緊連接螺栓時，受軸向壓縮與上下梯型槽帖緊，產生塑性變形，形成一環狀密封帶，建立密封。

3、產生泄漏原因分析

本裝置的工藝管道使用的八角墊共有三種材質，分別為10#鋼、06Cr18Ni11Ti（321）和316L材質，對就的法蘭材質分別為10#鋼和06Cr18Ni11 Ti（321）。

氮氣氣密時八角墊與法蘭連接處發生泄漏數量及合格率統計如表1所示。

3.1材質問題

對于八角墊的選材，一般要求八角墊的材質要比法蘭的材質低一個等級，但是根據上表第3項可以看出，八角墊與法蘭的材質是一樣的。我們將此問題匯報給甲方，初始時甲方與設計溝通的結果是設計要求對現場所有的八角墊進行更換。但是后面因為工期、費用等原因甲方不同意。同時設計提出了硬度的問題，并進行了現場測試，測試結果如下：

從上表可以看出，10#鋼的八角墊與20#鋼的硬度平均差為30.75，316L的八角墊與06Cr18Ni11Ti（321）的硬度平均差為24.25， 06Cr18Ni11Ti（321）的八角墊與06Cr18Ni11Ti（321）的硬度平均差為16.25。根據設計提出的選用八角墊材質硬度應低于法蘭面15～20HB的要求， 06Cr18Ni11Ti（321）材質的八角墊復合要求。

3.2螺栓安裝及預緊力大小的問題

當八角墊與法蘭固定好之后，螺栓的緊固順序和預緊力的大小也是影響密封的重要因素。不同材質的八角墊產生塑性變形所需的壓力也不同。現場10#鋼對應的八角墊采用的是35CrMo的螺栓，316L和06Cr18Ni11Ti（321）材質的八角墊使用的是25CrMoV的螺栓。不同螺栓的屈服強度也不同。

由于10#鋼八角墊的密封沒有出現泄漏情況，證明現場安裝時基本的螺栓緊固順序等沒有問題。問題有可能出在螺栓是預緊力是否達到要求以及預緊力是否均勻的問題上。

3.3法蘭與八角墊加工精度

由于本裝置的臨氫工藝管道都屬于高壓管道，且內部介質為氫氣或油氫混合物，對密封要求極為嚴格，因此對于八角墊各部尺寸的精度都要求特別嚴格，特別是內外圓的同心度和四個斜面的加工角度，稍有偏差就會引起泄漏。現場在安裝時就發現部分八角墊存在變形或八角墊的凸起部分與法蘭的凹槽不匹配的情況。

3.4法蘭或八角墊在運輸或安裝過程中出現損傷

法蘭或八角墊對密封面的要求很高，在運輸或安裝過程中稍有碰撞就有可能會出現損傷。在氮氣氣密時現場就發現一些如針眼一樣的小點發生滲漏，還有一些是用肥皂水試驗進用肉眼都看不出來的滲漏。此種現場就是法蘭凹槽或者八角墊斜面損傷引起的泄漏。

4、八角墊泄漏問題整改措施

針對上述八角墊密封產生泄漏的原因，我們現場采取了以下措施進行整改。

4.1對于八角墊的材質問題，我們沒有權力改變，只能按照設計給出的進行安裝，只是希望在后續的工程中能夠與設計提前溝通，在滿足密封條件的前提下盡量選擇八角墊與法蘭硬度相差較大的材質。

4.2對于螺栓的緊固順序及預緊力大小的問題，螺栓的緊固采用液壓扳手進行，先對螺栓進行編號，兩兩對稱的采用液壓扳手進行擰緊。擰緊的過程要重復四遍，第一遍按照預緊力的25%進行預緊，第二遍按50%進行，第三遍按75%進行預緊，第四遍按照100%進行預緊并最終完成。根據現場的實際操作，發現現場有50%的泄漏點通過采用上述方法后被消除了。還有一部分通過增加設計的預緊力也消除了，最高時達到了設計給出的預緊力的150%。

4.3對于八角墊及法蘭精度的問題，一是在采購的時候選擇信譽和品質相對較好的廠家，二是在材料到現場后進行細致的檢查，盡可能的將有些明顯不合適的提早進行更換。

4.4對于在運輸或安裝過程中出現損傷的法蘭或八角墊，一是對有明顯缺陷且無法通過研磨處理的八角墊進行更換。二是對那些損傷較小的可通過手摸或者用紅丹粉進行檢查，確定出損傷部位的八角墊或法蘭，先用砂紙進行打麿，再用研磨膏進行研磨。

本裝置316L和06Cr18Ni11Ti（321）材質的八角墊和法蘭的硬度都較大，研磨的時間一般都在20分鐘以上，直至八角墊上研磨出一整圈密封線。

由于在做氣密試驗時，所有八角墊已安裝完成，拆除后進行研磨時兩片法蘭之間的間距太小，最小的也只有30mm，研磨時無法用力，為了便于研磨，我們在現場根據不同八角墊的大小做了不同尺寸的抱卡，抱卡分兩部分，兩邊用螺栓時行連接。并在連接處設置兩個手柄，便于進行旋轉研磨，如下圖所示。通過采用抱卡，有效的節省了研磨時間。

5、結論

通過上述方法處理，在氮氣氣密完成后，后面的氫氣氣密一次通過，沒有發生泄漏，證明使用上述方法可以有效的解決八角墊密封泄漏問題。

參考文獻：

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[2]謝林君，任欣，工程力學《八角墊高壓密封結構預緊力分析和試驗研究》2014.6

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