加氢装置工艺管道八角垫密封问题分析与解决措施

孟永康 宋满堂

摘 要：我公司在新疆克拉玛依承建的某加氢装置的八角垫在氮气气密时发生泄漏，现场经过反复拆装仍无法满足工艺要求。本文针对其泄漏问题，从八角垫及法兰的材质、硬度、加工精度、螺栓的预紧力及损伤处理几个方面分析了其泄漏原因，并提出了一些解决措施。

关键词：八角垫;密封;泄漏;材质

1、背景概述

我公司承建的新疆克拉玛依某加氢装置，其设计压力为9.01MPa，高压部分工艺管道使用的是八角垫密封。在安装过程中，水压试验一次合格，但是在氮气气密时发生泄漏，10#钢的八角垫没有发生泄漏，但是06Cr18Ni 11Ti（321）和316L材质的八角垫发生了不同程度的泄漏，经过反复拆装并且用液压扳手紧固时的预紧力达到了设计要求的120%仍无法满足工艺要求。此问题严重影响了装置的正常开工。

2、八角垫的密封原理

八角垫是用金属材料由锻造及热处理和机械加工成截面形状为八角型的实体金属垫片，具有径向自紧密封作用，是标准的R型金属环垫的一种，其作用原理是是靠垫片与法兰梯型槽的内外面（主要是外侧面）的接触，并通过压紧从而形成密封作用。八角垫安装在法兰面的梯型环槽内，当拧紧连接螺栓时，受轴向压缩与上下梯型槽帖紧，产生塑性变形，形成一环状密封带，建立密封。

3、产生泄漏原因分析

本装置的工艺管道使用的八角垫共有三种材质，分别为10#钢、06Cr18Ni11Ti（321）和316L材质，对就的法兰材质分别为10#钢和06Cr18Ni11 Ti（321）。

氮气气密时八角垫与法兰连接处发生泄漏数量及合格率统计如表1所示。

3.1材质问题

对于八角垫的选材，一般要求八角垫的材质要比法兰的材质低一个等级，但是根据上表第3项可以看出，八角垫与法兰的材质是一样的。我们将此问题汇报给甲方，初始时甲方与设计沟通的结果是设计要求对现场所有的八角垫进行更换。但是后面因为工期、费用等原因甲方不同意。同时设计提出了硬度的问题，并进行了现场测试，测试结果如下：

从上表可以看出，10#钢的八角垫与20#钢的硬度平均差为30.75，316L的八角垫与06Cr18Ni11Ti（321）的硬度平均差为24.25， 06Cr18Ni11Ti（321）的八角垫与06Cr18Ni11Ti（321）的硬度平均差为16.25。根据设计提出的选用八角垫材质硬度应低于法兰面15～20HB的要求， 06Cr18Ni11Ti（321）材质的八角垫复合要求。

3.2螺栓安装及预紧力大小的问题

当八角垫与法兰固定好之后，螺栓的紧固顺序和预紧力的大小也是影响密封的重要因素。不同材质的八角垫产生塑性变形所需的压力也不同。现场10#钢对应的八角垫采用的是35CrMo的螺栓，316L和06Cr18Ni11Ti（321）材质的八角垫使用的是25CrMoV的螺栓。不同螺栓的屈服强度也不同。

由于10#钢八角垫的密封没有出现泄漏情况，证明现场安装时基本的螺栓紧固顺序等没有问题。问题有可能出在螺栓是预紧力是否达到要求以及预紧力是否均匀的问题上。

3.3法兰与八角垫加工精度

由于本装置的临氢工艺管道都属于高压管道，且内部介质为氢气或油氢混合物，对密封要求极为严格，因此对于八角垫各部尺寸的精度都要求特别严格，特别是内外圆的同心度和四个斜面的加工角度，稍有偏差就会引起泄漏。现场在安装时就发现部分八角垫存在变形或八角垫的凸起部分与法兰的凹槽不匹配的情况。

3.4法兰或八角垫在运输或安装过程中出现损伤

法兰或八角垫对密封面的要求很高，在运输或安装过程中稍有碰撞就有可能会出现损伤。在氮气气密时现场就发现一些如针眼一样的小点发生渗漏，还有一些是用肥皂水试验进用肉眼都看不出来的渗漏。此种现场就是法兰凹槽或者八角垫斜面损伤引起的泄漏。

4、八角垫泄漏问题整改措施

针对上述八角垫密封产生泄漏的原因，我们现场采取了以下措施进行整改。

4.1对于八角垫的材质问题，我们没有权力改变，只能按照设计给出的进行安装，只是希望在后续的工程中能够与设计提前沟通，在满足密封条件的前提下尽量选择八角垫与法兰硬度相差较大的材质。

4.2对于螺栓的紧固顺序及预紧力大小的问题，螺栓的紧固采用液压扳手进行，先对螺栓进行编号，两两对称的采用液压扳手进行拧紧。拧紧的过程要重复四遍，第一遍按照预紧力的25%进行预紧，第二遍按50%进行，第三遍按75%进行预紧，第四遍按照100%进行预紧并最终完成。根据现场的实际操作，发现现场有50%的泄漏点通过采用上述方法后被消除了。还有一部分通过增加设计的预紧力也消除了，最高时达到了设计给出的预紧力的150%。

4.3对于八角垫及法兰精度的问题，一是在采购的时候选择信誉和品质相对较好的厂家，二是在材料到现场后进行细致的检查，尽可能的将有些明显不合适的提早进行更换。

4.4对于在运输或安装过程中出现损伤的法兰或八角垫，一是对有明显缺陷且无法通过研磨处理的八角垫进行更换。二是对那些损伤较小的可通过手摸或者用红丹粉进行检查，确定出损伤部位的八角垫或法兰，先用砂纸进行打麿，再用研磨膏进行研磨。

本裝置316L和06Cr18Ni11Ti（321）材质的八角垫和法兰的硬度都较大，研磨的时间一般都在20分钟以上，直至八角垫上研磨出一整圈密封线。

由于在做气密试验时，所有八角垫已安装完成，拆除后进行研磨时两片法兰之间的间距太小，最小的也只有30mm，研磨时无法用力，为了便于研磨，我们在现场根据不同八角垫的大小做了不同尺寸的抱卡，抱卡分两部分，两边用螺栓时行连接。并在连接处设置两个手柄，便于进行旋转研磨，如下图所示。通过采用抱卡，有效的节省了研磨时间。

5、结论

通过上述方法处理，在氮气气密完成后，后面的氢气气密一次通过，没有发生泄漏，证明使用上述方法可以有效的解决八角垫密封泄漏问题。

参考文献：

[1]徐立志，价值工程《八角垫密封发生泄漏的原因初探》2011.36.013

[2]谢林君，任欣，工程力学《八角垫高压密封结构预紧力分析和试验研究》2014.6

[3]商彬，周振国，中国高新技术企业《钢管塔法兰螺栓紧固的研究与探讨》BD645508-4FC7-4BB2-8667-AEC881B7CEBB