高温压管道法兰密封缺陷综合治理策略研究及应用

杨宝红

（中广核研究院有限公司 反应堆工程实验研究中心，广东 深圳 518000）

电厂以及工业实验装置通过管道将各设备连成一体，其主要管道连接方式有焊接、黏接、螺纹连接及法兰连接，其中法兰连接是其中比例较大的连接方，如装设孔板、设备带法兰、表面处理禁止焊接、输送可燃流体管道等场合（需拆卸）等情况下应用比较普遍。本文通过高温高压管道法兰密封缺陷综合治理策略研究，应用此理念，通过对高温高压管道法兰的缺陷处理进行细化，明确此类法兰缺陷的具体处理方法，固化维修质量控制标准，并建立相应的预防性维修策略，提高了问题处理的效率，并且避免了一些技术方案不当造成的经济损失或时间损失，此项研究对于同类工业高温高压设备管道法兰密封问题的处理有较高的借鉴价值和推广意义。

1 实验装置存在的问题以及密封原理

实验装置存在的问题：本文涉及的实验装置连接中，使用了大量的金属透镜垫和八角垫，其中稳压器加热棒透镜垫密封（34处），人孔大直径八角垫密封（1处），小尺寸八角垫（2处），安全阀密封（2处），总计39处；管道阀门连接法兰八角垫密封（23处）；回路法兰八角垫密封（75处），连同B支路计算，预计约总计200多处金属透镜垫和八角垫密封。此类密封在高温高压装置中使用比较普遍，此实验装置此类法兰的跑冒滴漏在2017年年底之前较为频繁，处理方法之前尚未固化，维修成本较高，耗费时间较长，对实验装置的正常实验生产影响较大。

2 高温高压法兰跑冒滴漏问题分析

2.1 法兰核心维修能力不足

此文涉及的实验装置为新建装置，在设备运维方面同样处于建设初期，高温压法兰以往的拆装过程中的检查、研磨维护以及垫片更换方面欠缺成熟的质量控制标准，以及由于装置运维方面存在密封面的核心维修能力的不足（如研磨、微弧焊方案以及专业技术人员、设备等），这些因素对法兰密封整体可靠性降低有较大相关性。

2.2 从法兰密封原理方面进行原因分析

管道法兰连接形式是将法兰（密封面）、紧固件（绝大多数是螺栓螺母）、密封垫片构成，管道法兰的密封是通过这三个部件之间的协同作用实现的，这个结构中法兰密封垫片是实现密封功能的核心部件。管道法兰在螺栓紧固力矩的作用下，将法兰密封面之间的密封垫片压紧压实。作用于法兰密封面单位面积上的紧固力矩需要达到一定数值才可以将法兰密封垫片压缩变形以至于被压实，法兰密封面上存在的因为设备机械制造期间形成的微隙从而被填充满，使管道法兰建立起初始密封条件，以达到密封的目的，法兰连接密封所需的压紧应力被称作密封垫片的密封比压力，以y表示，单位为Mpa。在管道法兰密封这种强制密封结构中，出现密封失效故障的原因主要有以下几个方面：（1）法兰密封压紧力分布存在不均异常；（2）法兰应力松弛和扭矩损失；（3）密封垫片与法兰自身缺陷；（4）温度变化。

2.3 高温高压工况对法兰密封性能的影响

当管道系统介质压力上升时，会使密封垫片的有效紧固力比预紧力小，但当管道系统介质的温度升高时，螺栓紧固件的温度上升却会有所滞后，管道法兰的温度上升过快时，会促使热胀将密封垫片进一步产生压缩，密封垫片应力会有所增加。工业装置管道介质如果温度升降过快，会导致管道、法兰、垫片、螺栓的温差增大，它们之间的应力与应变不能够在瞬时间完成互相的协调匹配，也会促使法兰密封失效。因此，工业装置在停运检修阶段，运行人员严格控制装置回路温度下降速率是非常有必要的。

2.4 金属环形垫特性

此类金属环形垫片的密封是圆周线密封结构，所以，对于安装检查期间必须做好垫片表面状况检查，要求新张的金属环形垫片的金属环以及法兰本体环槽表面不得存在伤痕等缺陷，垫片表面应当光滑干净无异常。金属环形垫虽然首次安装后密封效果较好，但是，由于垫片和法兰面之间仅为线接触，并且这种垫片的密封压紧力矩有非常大，金属环形垫与法兰环槽接触点之间的力通常很大(一般要大于12MPa)，尤其是在管道回路介质高温的情况下，这会导致法兰环槽表面产生变形以及裂纹等损伤，如果发生了垫片密封失效后，就会很难再次实现密封。

3 高温高压法兰全面处理策略制定

针对以上高温高压管道金属环垫法兰密封失效的相关分析，对于此装置此类问题，我们经过相关调研后，从法兰结构三个组成部分法兰、垫片、紧固件全方位着手制定改进措施，提升装置自主维修核心能力，系统地解决了密封面维修难题，并制定与之相关的预防性维修措施，提升日常维护质量和水平，将潜在隐患扼杀在摇篮中，消于无形。

3.1 高温压法兰密封面研磨核心能力提升

高温压法兰金属环形垫密封面常见缺陷有变形、腐蚀、汽蚀、电蚀、刮伤、划痕、凹坑。因此，为了达到保证法兰密封面的密封性能考虑，在设备安装维修时，需要满足一定程度的平整度和光洁度要求。当前阶段现场对于此类法兰的密封面修复一般分为两种：一种是法兰密封面缺陷故障较为轻微时（一般缺陷深度小于0.1mm），维修人员采用直接研磨修复；另一种是当法兰密封面缺陷深度较大时，维修人员目前采用微弧焊修补然后打磨粗修最终通过精细研磨修复。密封面研磨工艺过程如下：将密封面清洗干净，检查研磨胎具与待修复密封面的配合情况，且胎具研磨面应光洁无锈蚀，不得有凸起、裂纹、毛刺等缺陷。（1）用P80砂纸对密封面进行粗研磨；（2）用60μ砂纸对密封面进行细研磨；（3）用30μ砂纸对密封面进行抛光；（4）对密封面做红丹/兰油试验，印痕应均匀连续无断点。如印痕不能均匀连续则需继续研磨直至红丹试验合格。

3.2 高温压法兰密封面微弧焊处理核心能力提升

此类法兰本体环形槽密封面如果缺陷较大，不能直接通过研磨修复时，目前，经过处理工艺的开发，维修人员现场采用微弧焊焊接工艺对法兰密封面进行补焊修补处理。如果法兰密封面初始缺陷不是不大，维修人员通过诊断判断就不需通过要微弧焊工艺修补环节，只是通过研磨修复就可以完成密封缺陷损伤的处理。微弧焊修补焊密封面的处理过程如下：（1）用打磨机将缺陷处的氧化皮及破损层金属打磨干净直至露出光亮金属表面，然后将密封面清洗干净。（2）选用同母材相同的焊丝，采用点焊方式补焊（注意工件温升应小于80℃）。（3）焊接参数控制：（4）对补焊处进行粗磨；（5）对密封面进行研磨；（6）对密封面做红丹/兰油试验。

3.3 回路法兰预防性紧固以及相应改进策略

高温压装置法兰在经历过热态工况后，由于热胀冷缩、振动等各种原因导致的法兰密封降级，经过将近三年的实践总结，我们从螺栓、垫片的保养选用检查上，以及实验操作的升降温控制上：（1）对回路法兰螺栓进行每次热态后的全面力矩校核，对于发现松动的按照标准要求测量法兰平行度等参数后按要求完成紧固。增加每次热态后稳压器底部机械密封的紧固，对于紧固后打压无法通过的解体进行研磨后回装处理。（2）升版装置日常维修规程中对于螺栓除锈要求，现场巡视检查各设备油漆涂刷有无脱落锈蚀等异常，发现异常后进行统一记录并除锈补漆，拆卸后的法兰螺栓螺母梳理螺纹后进行发黑保养处理。（3）梳理金属环垫清单，采购镀银垫片，严控拆装密封面检查。（4）在每次起停装置期间，降低升降温速率对法兰密封的影响。

3.4 法兰检修施工要求文件化标准化、推动QC队伍建设

根据装置现场运维情况的需求，目前，已编写的相关程序有4个，机械相关设备安装检修指令单16个，主要涵盖试验段安装、管道法兰安装、法兰密封面研磨、稳压器加热棒拆装检修、计量泵检修、回路串洗等方面。电气相关表单5个，仪控相关17个。计划今年将常用的指令单全部补充完善，编审批生效后作为标准文件备用，特殊的检修活动根据现场检修情况逐步积累。并且针对承包商合作单位负责施工的项目编写了质量计划，目前，已经全面推广实施，确保每项工作都有设质量控制点，每个质量点都有授权人员进行把关。

为了规范装置设备维修过程质量控制，目前，已牵头成立了部门的QC授权人员质量控制团队，主要负责装置设备预防性、纠正性维修以及改造施工期间配合施工负责人进行设备隔离状态验证签点、防异物检查签点、质量控制关键点(H/W)签点以及安装、维修、改造施工期间出现偏差、困难、新问题时提供指导和帮助。

QC人员在检修活动过程中的分析确定装置设备检修修活动中需要进行质量控制的工艺环节，负责检修过程的施工文件审查、对施工活动中关键的步骤工序设置质量控制点并且负责施工执行环节对检修工艺及过程进行质量检查控制、对设备缺陷的处理结果进行验证签收。

3.5 推动运维信息化平台建设以及维修大纲搭建

为了从根本上提升实验装置可用性，固化几年以来累积的维护经验和良好实践。2019年年初，设备负责部门开始着手进行运维信息化平台的开发建设，目前，经过将近一年的开发测试系统平台即将上线，此系统囊括装置设备的信息在线更新维护、设备备件采购管理、技术问题的审批流转以及预防性维修管理、设备故障信息的通报处理以及纠正性维修的管理与流转，后续可以更加高效集约地对装置设备进行监控管理，提高装置设备运维管理水平。并且参考电厂统一做法，目前已创建装置设备预防性维修大纲，根据设备特性与运维经验对设备进行预防性的维护安排，从根本上彻底解决设备维护的不规律与漏洞，提升设备的可靠性。

4 综合治理策略应用效果

高温高压管道法兰密封缺陷全面处理策略研究及应用，在大热工装置上发挥了巨大作用，从早期每月多达4～5次的泄漏频发到如今的彻底根治可以看出：高温高压管道法兰密封维修管理是一个系统工程，运维负责主管部门只有从预防性维修大纲文件的编制、安装/维修标准操作程序指令创建、人员执行技能的培训、综合性维修技术的开发应用以及相关信息系统的应用全面提升后，设备密封可靠性才能得到根本保障，基础文件、人员技能、维修技术、理论分析、信息平台等配套缺一不可。

5 结语

高温高压管道法兰密封缺陷作为影响高温压实验装置正常运行的重要技术问题，本论文作者通过行业调研，以及结合实验装置的具体状况，针对性地制定了高温高压管道法兰密封缺陷全面处理策略，从法兰维修的整体大纲搭建，研磨和微弧焊等维修技术方案制定，核心维修能力自主化培养，以及进行了施工流程的文件化规范化的升级，推动质量控制的QC队伍建设和落地，全面提升了高温高压管道法兰密封缺陷处理能力和维修质量，系统全面地改善和提升了此类密封的可靠性，减少了由于此类故障检修带来的停机或停运，降低了处理成本，提高了维修效率，对高温高压工业设备密封泄漏领域的问题的处理具有较大的参考价值和借鉴意义。