DN1600-znhk-c-1000型超微过滤器封头垫片密封失效的分析与解析

DN1600-znhk-c-1000型超微过滤器封头垫片密封失效的分析与解析

邓勇

云南云天化石化有限公司云南昆明650309

摘要：在法兰连接密封形式中内环缠绕垫的螺栓紧固力矩稳定对密封的有效性起到至关重要的作用，同时内环缠绕垫因为没有外环固定缠绕带，很容易因为各种原因使缠绕带缠绕失效而导致密封失效，本文就一真实案例分析内环缠绕垫失效原因并解决。

关键词：内环缠绕垫；紧固力矩；齿型垫片；重型弹簧垫；过滤压差；盲板

引言

某公司除盐水装置五台DN1600-znhk-c-1000型超微过滤器在使用过程中封头密封垫片（内环缠绕垫片）经常泄漏，五台超微过滤器经更换垫片，多次紧固任然存在泄漏，影响现场清洁文明生产，经现场测量密封法兰面都符合国标，五台设备同期发生同样问题，常规处理无法解决泄漏，影响较为突出。本文结合该超微过滤器的密封结构、工艺状况、垫片形式等因素分析泄漏原因，找出解决办法。

1.除盐水装置超微过滤器频繁泄漏的原因分析

1.1DN1600-znhk-c-1000型超微过滤器封头密封结构

（1）封头及筒体法兰按PN1.0Mpa压力等级加工制作；

（2）滤芯管板（滤芯）厚度30mm，安装于封头及筒体法兰之间，微孔管过滤精度0.1μm；

（3）封头及筒体法兰与滤芯管板之间采用内环缠绕垫密封；

（4）连接螺栓为4.8级M24*250mm52套/台；

（5）超微过滤器结构如图1所示，法兰与滤芯管板密封结构如图2所示，内环缠绕垫结构如图3所示，滤芯管板如图4所示：

1封头2-出液口3-滤芯管板4-筒体5-微孔管滤芯6-进液口7-排污口8-再生蒸汽进口

图1超微过滤器结构

1-锁紧螺栓2-封头法兰3-上部缠绕垫片4-滤芯管板5-筒体法兰6-下部缠绕垫

图2超微过滤器法兰与滤芯管板密封结构

1.2超微过滤器的工艺状况

（1）过滤工作温度约40℃，蒸汽再生时温度约260℃；

（2）过滤工作压力0.4-0.6Mpa/0.2-0.3Mpa（滤芯前/滤芯后），当前后压差超过0.2Mpa后系统进行蒸汽再生，降低压差；

（3）超微过滤器过滤的介质中杂质很多，大约过滤12小时滤芯就堵塞，需进行蒸汽再生后才能投入使用，装置连续运行时每天都需要两次蒸汽再生滤芯，再生蒸汽压力0.4Mpa、温度260℃，再生过程中用手触摸超微过滤器筒体可以感觉到明显的振动，并且多次再生后再生效果会下降，滤芯前后压差最高增至0.3Mpa；

（4）连续运行约三天滤芯管板与密封法兰连接处就开始渗漏，并持续增大渗漏量，大约一周就呈流水状态泄漏，拆除法兰检查发现垫片缠绕带已经完全松散，如图5所示：

图5拆开法兰后内环缠绕垫缠绕带松散

1.3DN1600-znhk-c-1000型超微过滤器密封结构结合工艺状况分析失效原因

（1）超微过滤器频繁再生，设备温度在40-260℃之间，过滤器处于温度波动比较大的工况，法兰固定螺栓、法兰及垫片的热胀冷缩对垫片的压紧应力产生了影响，螺栓紧固力矩值随着温度波动产生变化，现场测试：

蒸汽再生时（260℃）的螺栓紧固力矩约为600N/m

再生结束进液过滤时（40℃）螺栓紧固力矩约为500N/m

螺栓紧固力矩的变化对缠绕垫片的缠绕带致密性产生了影响，如图5所示。

（2）筒体及封头法兰密封面型式为“凹面”，此结构可以很准确的将滤芯管板固定在两法兰之间形成两个“凹凸面密封”，也注定了该密封设计不能使用标准的“内外环缠绕垫”。

（3）内环缠绕垫在螺栓紧固力矩的变化情况下缠绕带开始松动，因为没有外环固定逐渐松散。

（4）蒸汽再生时，蒸汽通过滤芯后形成部份冷凝水，在超微过滤器筒体内形成“水击”，造成滤芯振动，振动产生的应力通过滤芯管板作用在内环缠绕垫上，加速缠绕带松散，如图6所示：

图6超微过滤器蒸汽再生时的工况

（5）滤芯管板厚度30mm，位于两法兰之间，与垫片紧密结合，当滤芯前后压差超压时，滤芯管板相当于一块DN1600mm的盲板，经计算DN1600mm且厚度30mm的盲板允许的承受压力最大为0.2Mpa，超微过滤器的顺控设计为压差到0.2Mpa就自动蒸汽再生的原因就是这个。当滤芯前后压差增至0.3Mpa时计算盲板厚度应大于约38mm，30mm厚度的滤芯管板此工况下必然有不同程度曲面变形，夹持滤芯管板的法兰垫片同时受横向的应力，加速了内环缠绕垫的缠绕带松散最终密封失效，如图7所示：

图7超微过滤器压差超过设计压力的运行情况

综合上述五点分析了超微过滤器内环缠绕垫密封失效原因主要是工艺状况的不稳定造成的。

2.密封失效原因解析

2.1除盐水装置超微过滤器不稳定的工艺状况短期内不能解决，生产还要运行，过滤器还要继续使用，从加强垫片可靠性的角度分析改进可行性

在不改变超微过滤器法兰密封面结构的情况下，使用齿型垫片比内环缠绕垫的可靠性更高。

（1）齿型垫片是在金属平垫的两面粘贴柔性石磨、PTFE或其它密封

材料的一种垫片结构，不存在缠绕带松散失效的情况，使用温度最高可达~650℃，最高适用压力可达25.0Mpa，垫片系数m=4.25。

（2）齿型垫片分为带定位环及不带定位环两种类型，超微过滤器的凹面法兰已带定位功能，可选用不带定位环的304+柔性石墨齿型垫片，如图8所示：

图8不带定位环的304+柔性石墨齿型垫片

（3）参考GB/T16823.2螺纹紧固件通则及中国石化工程建设公司SESA0301-2001管道法兰螺栓紧固力矩设计标准，超微过滤器若使用不带定位环的304+柔性石墨齿型垫片，螺栓紧固力矩应提高至约700N/m。

2.2从减少螺栓紧固力矩变化的角度分析改进可行性

减少除盐水装置超微过滤器垫片螺栓紧固力矩变化有两个措施，一是增加补偿力矩，二是减少工作温差。

（1）增加螺栓补偿力矩最常用的就是增加弹簧垫片，较为常用的为重型弹簧垫片。

配用M24螺栓的重型弹簧垫片，厚度为8mm，螺栓两头各安装一片，安装后现场测试：

蒸汽再生时（260℃）的螺栓紧固力矩约为750N/m

再生结束进液过滤时（40℃）螺栓紧固力矩约为700N/m

较未安装重型弹簧垫片时高、低温工况螺栓紧固力矩差值减少了约50N/m，也就是安装重型弹簧垫片补偿了约50N/m力矩。

（2）减少工作温差可考虑将蒸汽再生改为“压缩空气再生+化学再生相结合的工艺”。

①取滤芯表面附着的杂质分析实验出成本较低的“易溶解液”，易溶解滤芯堵塞杂质，又不腐蚀过滤器。

②当压缩空气再生效果不好时，由过滤器进液端通入“易溶解液”浸泡滤芯，再生合格后排进清洗合格投入使用。

2.3从工艺源头的角度分析改进可行性

（1）除盐水装置超微过滤器滤芯再生效果不好后，拆除滤芯检查发现表面附着一层类似淤泥的杂质，经表面高压水枪清洗后滤芯就可以恢复正常过滤量，说明滤芯的微孔管只是表面堵塞，杂质没有进入微孔管内部，杂质的颗粒直径远大于超微过滤器的过滤精度0.1μm，且过滤12个小时左右就堵塞，说明过滤介质里的杂质超过了超微过滤器的设计范围。

（2）超微过滤器过滤精度较高，针对较大颗粒的杂质应在超微过滤前增设一级预过滤，过滤设备应选型为易清洗的，堵塞后能快速清洗合格投入使用。

3.小结

综上所述，该公司于2017年11月对除盐水装置DN1600-znhk-c-1000型超微过滤器C/E两台内环缠绕垫片更换为304+柔性石墨齿型垫片，螺栓由4.8级更换为8.8级M24螺栓并且配用了重型弹簧垫片，螺栓紧固力矩设定为700N/m，投用后密封效果比改造前明显好转，在工艺状况不稳定的情况下连续使用超过100天未产生泄漏，说明齿型垫片搭配重型弹簧垫片并定力矩紧固螺栓，可以有效提高该类型超微过滤器的密封可靠性！

参考文献

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[2]王铭松，李居海．静密封失效分析及垫片选型[B]．聚脂工业，1008-8261（2007）04-0054-03.

[3]机械工业部机械科学研究院．GB/T16823.2螺纹紧固件通则..

[4]中国石化工程建设公司．SESA0301-2001管道法兰螺栓紧固力矩设计标准.