复合石墨波齿单金属垫密封失效的初步认识

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某公司制造-批管壳式换热器，产品已经过业主监理和政府机构监察，并经水压试验合格，安装到装置现丑，系统试压发现部分换热器的设备法兰密封面泄漏，卸压后重新紧固螺栓，换热器才通过系统试压检验。其他-些厂家制造的换热器也出现类似现象。为分析法兰密封面泄漏原因，该公司对产品设计、法兰质量、螺柱螺母质量、组装及试压操作等环节进行了全面审查，抽取螺柱制成试样检测发现其力学性能较标准有富裕，确认上述过程的规范可靠，同时结合泄漏密封面直径、泄漏密封面类别、漏点在密封面上的方位、管板厚度及密封面精度等进行了分析，排除了这些因素的影响，也排除了装卸及市区内短程运输的影 响，不考虑装置 现场系统试压是否有影 响。

最后将水压试验合格的另-批换热器卸压后静置两天重新水压试验，尧现个别的类似现象，重新紧固螺栓后换热器同样能通过耐压试验。因此，有理由怀疑所用复合石墨波齿金属垫片存在问题。

文献[11中表 l关 于试压预 紧力不足的影响因素中，排在表 1中的序号 2即是密封元件材料力学性能的实际值与理论值之差，该差值不便检测。文献[21的表 2列举了法兰密封试压预紧力不足的设计因素，但是前述批量换热器的首次耐压试验 已经 过了成功验证 ，不应属预紧力 问题 。

GB 150.3-2O11《压力容器第 3部分的设计》标准中表 7-2新增了复合柔性石墨波齿金属垫，业内关于这种新的波齿垫片与缠绕垫的优劣存在分歧，特别是对垫片密封性能的检测难度，阻碍了-般技术人员对传统垫片和新型垫片密封性能的比较和认识 ，本文通过对复合波齿金属垫简明的基本分析，试图从新的视角对其认识。

1 产品标准及检测结果1.1 产品及检测标准据报道，波齿垫片是 20世纪 90年代出现的 ，1993年《流体工程》(第 21卷第 9期)和《压力容器》(第 10卷第 4期)发表了有关 内容的文章 。早在上世纪末 ，广州市东 山南方密封件有 限公司就颁布实施企业标准 QDJ 16011-1998《波齿复合垫的标准》，11年后又颁布新的企业标准Q/DSMF 1-2O09《波齿复合垫》，并负责了文献4和文献[51的编写。新的企业标准中规定了换热管的两种规格，是考虑到多管程时，管板密封垫与管程之间的密封隔条的宽度要与之相适应 。

文献[61规范了管法兰用垫片压缩率和回弹率的实验方法，其中的试验方法 A适用于面积为6.5 cm。、厚度为 1.5 mm 的方形试样 ；试验方法B适用于公称直径为 80 mm、公称压力不大于 50MPa的试样 。这可理解为 ，方法 A适用于-段垫收稿 日期：2013-Ol-04。

作者简介：陈孙艺，男，工学博士，1986年毕业于华南工学院化工机械专业，2006年毕业于华东理工大学化工过程机械专业，博士。长期从事承压设备设计开发、制造工艺、失效分析及技术管理工作，现任公司副总经理兼总工程师，教授级高级工程师。

Email：sunyi- chen###sohu.com石 油 化 工 设 备 技 术片的检测；方法 B适用于-个整体垫圈的检测。

垫片密封性能的检测是-项专业技术性很强的工作，精密度要求高。对广大用户而言，其难度主要表现在几个方面：-是市面上缺乏垫片回弹性能的检测设备，该设备属于专用设备，目前只依赖进口，如果某用户(设备制造公司)专为 自己购置该类检测设备，但不具备对外服务 的法律权威效力 ，这是不符合企业经营理念的；二是 ，缺乏开展该项服务的第三方权威机构，个别垫 片制造厂自己研制设置了有关检测设备，由于出于公平公正性的考虑，垫片用户不宜把问题垫片委托其检测；三是，根据 GB/T 12622-2008管法兰用垫片压缩率及回弹率试验方法国家标准》，对金属波齿垫的密封性检测麻烦在于要提供整个完好 的垫片 ，按试验方法 B进行 ，如果能对切割下 的-段样 品按试验方法 A进行 ，或者能对-个 已安装过的垫片进行检测才更迎合市场的需求。四是，换热器等设备制造周期的紧迫性，不允许设备制造厂在垫片质量问题的处理上耗费时间，很多与垫片有关的设备密封泄漏问题，制造公司只好自我应对。

文献4只规定柔性石墨波齿复合垫片产品的技术条件 ，其 中骨架厚度、波齿距 、波齿深度 、波齿圆浑径的尺寸及极限偏差由制造商自行确定 。文献5与文献4同期发布，规定柔性石墨金属波齿复合垫片的尺寸 ，但是 5年后规 范又发布了新版本 ，可见规范对该产 品的统-认识经过了-个不短的时间历程是及时的。

1.2 实物抽检通过肉眼和千分尺及合适的量具，对从 2个厂家订购的波齿垫 (见 图 1)进行人库抽检 ，截取波齿垫实物小段 ，通过清理截面后进行测量 ，结果见表 1。由图 2、图 3可见 ，二者 的骨架结构 明显不同。

·1图 1 垫片检测位置示意2 垫片性能分析文献7对柔性石墨波齿复合垫片力学性能进行有限元分析后，认 为波齿骨架厚度是影响该垫片压缩率和回弹率 的主要 因素 ，厚度在 2.o～2.5 mm时，拥有最好的压缩率和回弹率。骨架厚度、圆浑径、齿高的最优化方案为 TIR3H3，此时的压缩率和回弹率分别为 36.3 、51.4 ，均符合标准要求。

截而丰f-图 2 甲厂垫片a1实物截面1)碱1j] IIJ图 3 乙厂垫片根据表 1可以看出，两厂 的垫片骨架厚均超出文献[71提出的最佳厚度上限，但甲厂的骨架略厚 ，而文献[71分析表明，超出上 限后骨架越厚则回弹率越低 。另-点是，甲厂的骨架波齿 高度 明显高于乙厂的，符合文献[71分析得出的骨架波齿越高则回弹率越低的结论。据此两点，甲厂密封垫涉及的泄漏数量高出乙厂-倍多，与前人的分析-致。

文献[71对柔性石墨波齿复合垫片力学性能进行有限元分析后 ，建议垫片在出厂的时候进行预压缩处理，这样垫片在使用过程中就拥有较高的回弹率。如果把该结论理解为预压缩处理使齿峰变钝可提高回弹率，则对比分析图 2和图 3可知，甲厂的垫片齿峰较尖锐，乙厂 的垫片较均称。

据此 ，甲厂密封垫涉及的泄漏数量高出乙厂-倍多，也与另-位前人的理论分析-致。但是，如果把该结论理解为预压缩处理只是使石墨复合层更加密实而不是存有很多空隙、从而提高回弹率，那么这与垫片正常生产中铺设石墨层的操作不应有石 油 化 工 设 备 技 术件》表 l中规定了垫片骨架的硬度上限，未见其对波齿垫的密封性的影响报道 ，文献lol在断裂失效波齿垫片的 4个取样上分别测定了材料的硬度，测得波齿垫片的硬度平均值为 HV245，确认其超过 GB 4237-1992《不 锈 钢 热 轧 钢 板 》中0Crl8Ni9在固溶态的硬度大于或等于 HV200的规定，可能是加工硬化所致。但未确定超高硬度在垫片断裂时所起的作用。作者认为，此时硬度已远超 出 GB/T 19066.3-2OO3表 1中要求该材料 HB<187的规定。

复合层材料及热处理状态。文献111报道 ，大庆石化公司乙烯装置 3台80U裂解炉，注汽点压力不高，但温度都在 600。C，自1999年投入运行 ，其-、二次注汽法兰多次发生泄漏着火 ，在二次注汽的 64个密封点上使用铜波齿复合垫，证明密封性能良好。其基本结构是在波齿垫两侧粘贴经过退火处理 的铜片，铜片的厚度根据波齿垫沟槽深度来确定。这种金属复合层利用了铜的耐高温性能 。

3.2 结构的影响分析中发现，文献7-9关于复合波齿垫良好性能的结构条件不-致 ，还是可以说 明目前学者对关键结构因素的认识未统-，因素值的优化研究缺乏基矗但确实有-些结构细节会影响到波齿垫的密封性，有待研究优化。

1)齿形 。相对于表 1所述 甲厂的波齿 形金属复合垫和乙厂的波形金属复合垫，标准 GB/T12622-2008管法兰用垫片压缩率和回弹率实验方法》表 2中还提到齿形金属复合垫，文献[31提出了图4所示的梯形波齿复合垫，认为其综合了缠绕式垫片和齿形垫片的优点 ，特殊的梯形结构改善了传统波齿垫片齿尖的受力状况。如果把表面无波齿的平整金属复合垫作为第 5种结构 ，再加上学者在研究 中或潜在的其他结构，已形成基本结构的系列化，对各产品的性能特点应加以分析比较 。

膨胀石墨覆层 梯形不锈钢骨架l1r 1，r 1- r 、r I i D1 I -圈 4 梯形齿垫结构示意关于齿形金属垫，早有标准 JB 88-59《密封面为凹凸式的法兰用金属齿形垫片》，-般利用精密机床在金属平垫的两面上车加工 9O。夹角波形的锯齿状沟槽而成。

2)齿位。图 3复合垫骨架两侧的波形均是完整的，两侧面 的波峰和波谷只适 当错 开。图 2和图 4复合垫骨架内侧的下角明显是半个齿形，这是标 准 6B/T 19066.3-23中 3.1.3条规定，骨架两侧面的波峰和波谷应错开半个齿距，与该标准中图 1的骨架结构图-致。作者认为，半齿波谷无法给予非金属复合层足够的围闭和压缩作用，如果复合层是柔性石墨，在垫片被压紧中容易被挤压坍塌。半齿波宽已分别 占到图 2和 图 4结构波数的 9.1 和 10 ，已达到应考虑的工程误差值。究竟两侧面的波峰和波谷相对位置对产品性能的影响如何 ，原来位于两侧 的半齿波谷可否改为 比圆浑径小-半 的完整波齿 ，这些均为值得加以分析研究的课题 。

3)复层厚度 。文献3对厚 度为 3.10 mm不锈钢金属梯形齿骨架试验 ，在受 7O MPa应力的作用下压缩变形量为 0.240 mm，卸载后的残余变形量为 0.104 mm，垫片骨架的压缩率为7.74 ，回弹率 为 64.21 ；对厚度 为 5.30 mm的梯形波齿复合垫试验，在 70 MPa的应力下，垫片的压缩变形量为 0.78 mm，卸载后的残余变形量为 0.348 mm。垫片的压缩率 为 15.7 ，垫 片回弹率为 55.3 。这表明在金属骨架上覆合质地较软的柔性石墨层后，压缩率明显增大，而回弹率却略有下降。文献[91的研究也表明同样的结论，但还发现当柔性石墨达到-定的厚度时，压缩率和回弹率的变化趋于平缓 。

因此可以推测，在垫片总厚度-定的情况下，骨架和石墨层的厚度分配比例对密封性能有影响。

4)直径。经验表明，当垂直压紧-条长直(相当于环形垫的直径无限大)的波齿复合垫时，其复合层是均匀地沿长度方向的两侧变形，而同样压紧-条弯曲的波齿复合垫时，其复合层沿长度方向的内侧(指向弯曲中心)所受到的压缩程度要比外侧(离开弯曲中心)所受到地压缩程度要大 ，因此 ，同样齿形和材料 的复合垫在不同直径的诚其应用效果是有区别的，直径大时复合垫的效果可能差-些。

第 34卷第 3期 陈孙艺.复合石墨波齿单金属垫密封失效的初步认识3.3 制作工艺的影响石墨复合层-般由板材下料，直径小的垫片可直接裁成圆环，直径稍大的垫片常裁出直条状再弯制成圆环。在弯制中复合层沿长度方向的内侧(指向弯曲中心)受到压缩作用有增厚的趋势，而外侧(离开弯曲中心)受到的拉伸作用有减薄甚至开裂的趋势，当容器升压后，法兰密封面内侧张口效应而使其外侧和垫片外侧同时成为关键的密封区域 ，垫片外侧的减薄不利于密封 。

3.4 用户态度1)波齿垫优于缠绕垫。波齿复合垫有诸多成功的工程实例。乙烯产品汽化器投用时间不连续，而且投用速度较快，造成密封面工作温度和压力的频繁变化，壳程入口蒸汽温度为 150 C，而管程入 口温度为-30 nC，温差比较大，部件温度分布不均匀，上部温度要远高于下部，造成泄漏。使用石墨波齿复合垫代替原来的铁包石棉垫后解决了泄漏问题n阴。

大庆石化公 司化工三厂苯 乙烯装置烃化反应器原操作温度为 470。C、压力为 1.5 MPa，原人孔密封采用的金属缠绕垫 ，在运行周期延长和工艺参数调整后出现微漏，改用石墨波齿复合垫后解决了泄漏问题n”。

大庆石化公司采用美国凯洛格公司技术的日产千吨合成氨装置第-废热锅炉，是原装引进美国通用焊接公司制造的设备，管程操作压力为10.5 MPa，操作温度为 314。C，壳程操作压力为3.09 MPa，操作温度为 1 003。C。原设计上封头与管箱 密 封结 构 为焊 唇 式 平 面密 封 结 构。 自1976年投产以来每年都发生不同程度的泄漏，尤其是冬季开停车的过程中泄漏尤为严重，借鉴南方同类型厂的解决方法，2002年将原缠绕垫改为齿形垫密封未达到预期效果。2003年再次改为榫槽型加复合齿形垫结构 ，解决了泄漏问题n 。

锦州石化公司重油催化裂化装置分馏系统的4台蒸发器 自开工以来频繁发生内外泄漏，有-台蒸发器的外头盖采用波齿复合垫片代替原八角垫圈后解决这个问题。所用垫片为 1 884 mm×1 700 mm×5 mm，宽度为 92 mm，在法兰上形成了距垫片外圆和内圆边缘分别为 30，40 mm的两道密封面n 。

此外，还有-些因齿形垫增加复合层后解决了泄漏问题的例子n 。

2)缠绕垫优于波齿垫。除前述的换热器设备法兰密封泄漏外，2012年 11月，某石化公司排查出新催化装置的油浆、二中、分馏及过热蒸汽区域的管道波齿垫共 400多个，并更换成放心”的缠绕垫。由此可见，这不是波齿垫产品质量问题，而是波齿垫本质上是否安全可靠的问题，在新工程设计中刚选定的波齿垫就在施工中被否定，且涉及成百上千件，说明业内对波齿垫的认识尚不成熟。总而言之，无论是波齿复合垫本质性能或产品质量的原 因引起 的装置安全事故 ，有关公开报道不多，但是有用户内部认为，波齿垫在高温或冷热变化工况下易损坏，重新把紧无法复原，称之为不放心”垫片。

由此可见 ，用户对两种垫片的认识不-致 ，甚至相反。也许正是前述-些结构细节存在的问题左右了波齿复合垫的性能，引起认识上的混乱。

也许波齿垫与缠绕垫本质上没有明确的优劣之分，适用于不用的诚 。

4 结语- 方面，虽然标准中提供有压缩率、回弹率、应力松弛率和泄漏率的合格指标，但用户缺乏对事故垫片的检测能力，另-方面，用户能检测到金属骨架的所有结构尺寸，但是业内标准中关于这些尺寸的合格指标又是-个空白，作者无法判断事故垫片是否符合产品标准。但是，通过本文的分析，作者认为：1)对泄漏系统 的重紧实质上是弥补垫片 回弹率的不足。文中所述某公司批量换热器首次水压试验和卸压后再次鹏才能通过试压检验的过程可当作-次稍复杂的异地实验，其结果符合前人关于骨架波齿越高则回弹率越低的结论。

2)通过两个厂家波齿垫产品抽检结果结合现场试压密封面泄漏数量统计分析，结果符合前人关于波齿垫骨架厚度超出上限后骨架越厚则 回弹率越低的结论。

5 建 议总体上可以断定是事故垫片自身无法满足工程需要 ，存在产 品性能质量问题 。鉴于石油化工大发展对密封技术的需求，作者建议如下：1)吸收新的研究成果补充到标准条文中，特别是增加波齿形状等，以反映新的研究成果，给出垫片骨架厚度、波齿距、波齿深度、波齿圆浑径的尺寸范围，以便于工程设计选用。

· 66 · 石 油 化 工 设 备 技 术 2O13年2)建议在新标准中，规定垫片制造商公开其柔性石墨波齿复合垫片产品企业标准中的波齿形状 、骨架厚度、波齿距 、波齿深度 、波齿 圆浑径的尺寸及极限偏差，以便产品验收。

3)建议在新标准中，-方面规定垫片制造商在产品质量证明书上列出波齿垫的检测数据，第二提供与产品同步制作的样板，以便用户检测试样进行初步判断，另-方面提供与产品复合层相同的适量材料及其复合工艺，以便用户抽检局部产品后进行复合层修复。

1-2O08中图 1的基本 型和图 3的定位耳 ，规定垫片骨架应带有图 1所示连体的垫耳，以便用户抽检其硬度 ，判断其是否符合标准 GB/T 19066。

目前 ，业界人员对波齿垫结构细节认识不足 ，对关键结构因素的认识未统-，因素值的优化研究缺乏基础，而影响其密封性能的因素 中尚有很多值得商榷的地方，各垫片制造商能力差别明显。

对这些客观问题 ，各方不应 回避 ，要开展更深入的研究分析 ，而不是止于原理性的描述 ，才更有利于其推广应用。设计如果没有足够的把握应慎重选用，以免给设备及管道密封性能带来不确定性，造成各方的困惑。以上关于波齿复合垫的认识，不当之处 ，敬请指正。而关于以此为基础的双金属波齿垫的认识 ，将另文总结。

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