摘要：针对石油化工行业密封状况，对泄漏类型进行识别，通过分析垫片5大泄漏原因和填料7大泄漏原因，从保证密封工作应力σgo和提升填料侧向应力及自身紧密度入手，研发了恒应力密封垫片和抗逸散填料，实现了极低泄漏率，取得相关低泄漏认证，推进石化现场工程应用，实现了VOCs大幅减排。

关键词：泄漏管理，泄漏原因分析，恒应力密封，抗逸散填料，VOCs控制

1、背景：

1.1目前石油化工行业密封状况

石油化工生产工艺具有高温高压、易燃易爆、有毒有害、长周期运行等特点，由温度、压力波动及老化、振动、腐蚀等因素引起设备、管线以及阀门、法兰等密封连接部位发生的泄漏一直是影响石化生产安全、环保运行的重大问题。据“化学品事故信息网”统计，国内近5年10224起火灾、爆炸、人员中毒和环境污染事故中，有4109起是由泄漏或密封管理缺失造成的，占比达40.2%。国外以2018年3月份发生的140起国外化学品事故为例，从事故类型来看，也是泄漏事故占比最大为120起，占事故总量的85.71%。可见，降低乃至消除密封泄漏隐患是行业亟待解决的问题。

泄漏管理工作是一项基础性工作，微小泄漏如果不被发现，不被处理，有可能由小变大，积少成多，由量变到质变，从而引发严重的安全、健康和环境问题。突发性泄漏如果不被及时预警、控制和处置，也将导致火灾、爆炸和中毒等后果。因此需要充分重视企业泄漏管理工作。

1.2 泄漏类型

要做好泄漏管理，需要做好泄漏识别并对症下药。泄漏一般分为可见泄漏和逸散性泄漏。

   可见泄漏分为连接部位泄漏、腐蚀或裂纹穿透性泄漏等，其中连接部位泄漏所占比例较大，是本文讨论的重点。可见泄漏具有突发性、单次泄漏量大、直接危害大、出现几率小等特点，可见泄漏是引起燃烧、爆炸等安全事故的主要原因之一。

逸散性泄漏是指不可见的微量泄漏，是挥发性有机物（VOCs）无组织排放的主要形式，具有单位时间泄漏量小、持续时间长、覆盖范围广、累积泄漏总量大等特点，是PM2.5的主要形成原因之一。

表1 可见泄漏与逸散性泄漏对比表

2、泄漏主要原因

要加强泄漏管理，需要从泄漏的源头原因进行分析以寻求最佳的解决方案。 

2.1 垫片泄漏的5大原因

5大因素使垫片工作密封应力σgo的缺失（或补偿位移不足），从而导致垫片密封失效。

2.1.1 工艺原因

（1） 介质压力波动，会加剧紧固件与密封件的疲劳

（2） 温度波动（热冲击），由于热膨胀系数的影响导致紧固件松弛及密封垫片应力变化

（3） 机械或流体的振动等，对连接部件与密封件均有影响

（4） 管道推力过大，法兰存在强制分离趋向或挤压，并增大法兰偏转角

（5） 

2.1.2 法兰原因

（1） 法兰强度或刚度不足，造成翘缺，变形或失稳

（2） 法兰的偏转超限，垫片内半径到外半径压缩量不同导致密封应力不均

（3） 外加弯矩，造成连接结构受力与垫片应力的分布不均匀

（4） 法兰表面的状况差，存在损伤、腐蚀等

2.1.3 螺栓原因

（1） 螺栓应力和蠕变松弛，造成垫片应力下降

（2） 螺栓的弯曲造成紧固失效

（3） 螺栓螺母塑性变形超限

（4） 螺纹咬死，无法有效紧固

2.1.4 垫片本身原因

（1） 回弹力缺失，无法有效补偿各因素引起的法兰面的分离

（2） 应力和蠕变松弛造成的密封应力缺失

（3） 密封比压低、疲劳

（4） 老化、腐蚀（磨蚀）造成的密封件损伤与质量损失

（5） 材料不适配工况，不耐温、不耐压及不耐介质

（6） 垫片自身紧密度低，界面泄漏和层间泄漏超限

2.1.5 安装原因

（1） 法兰不同轴、周向错位

（2） 法兰平行度超限

（3） 垫片安装前间隙过大，造成虚载荷

（4） 载荷周向不均匀，易造成薄弱环节

（5） 安装载荷不准确，或载荷不足或过载压溃

（6） 密封置入时，出现碰伤，形成泄漏通道

2.2 填料泄漏的7大原因

7大因素直接或间接造成填料侧向应力不足及紧密度不够，从而导致填料密封失效。

2.2.1工艺原因

（1） 介质压力波动

（2） 介质温度变化

（3） 阀杆动作过于频繁，易造成填料过热、磨损等

（4） 介质中颗粒杂质影响

（5） 缺少填料冷却系统，填料易烧损

2.2.2 阀杆原因

（1） 阀杆强度不够

（2） 阀杆粗糙度过大

（3） 阀杆表面拉伤

（4） 阀杆弯曲

（5） 阀杆偏心

（6） 阀杆腐蚀

2.2.3 填料函原因

（1） 填料函过深，填料总体高度过高造成过大的阀杆压紧力和摩擦力，容易引起阀杆磨损严重而导致填料泄漏

（2） 填料函过浅，填料总体高度不够，介质压力大于压紧力，导致填料泄漏

（3） 填料函外壁表面受损

2.2.4 填料压盖原因

（1） 压盖偏斜

（2） 压盖变形

（3） 压盖强度不足

（4） 压盖与阀杆间隙过大

2.2.5 填料压盖螺栓原因

（1） 螺栓应力和蠕变松弛，造成垫片应力下降

（2） 螺栓的弯曲造成紧固失效

（3） 螺栓螺母塑性变形超限

（4） 螺纹咬死，无法有效紧固

2.2.6 填料本身原因

（1） 回弹力缺失，密封应力缺失

（2） 干涸发硬

（3） 老化、腐蚀（磨蚀）

（4） 填料摩擦系数过大

（5） 填料侧压系数过小

（6） 材料自身紧密性差，界面泄漏与层间泄漏

（7） 材料不适配（不耐温度、压力、线速度、介质等）

（8） 填料不耐挤出

（9） 材料含水量超标低温下结冰

（10） 填料尺寸公差配合不合适

3、针对泄漏主要原因的密封解决方案

3.1采用新设计理念（金属碰金属）的恒应力密封垫片

（1）保证垫片密封有效的决定因素

如前所述，5大因素使垫片工作密封应力σgo的缺失（或补偿位移不足），从而导致垫片密封失效。要保证密封的持续有效，就是要保证密封工作应力σgo在密封服役期内，能够保持大于介质压力。

（2）传统“非金属-碰-金属”密封概念

传统的密封概念是“非金属-碰-金属（Non-Metal-to-Metal）密封概念或弹性体概念（Elastomeric Concept）”，就是螺栓载荷作用在法兰和密封件（或垫片）的密封接触面上，形象的比喻就是“法兰坐在‘弹簧上’”，因此这样的连接接头，也叫浮动式连接接头，简称“FLT”（Floating），密封件本身受压发生弹塑性变形，这种变形，一方面弥合了密封件和法兰接触面之间宏观和微观的各种缺陷，另一方面，提高了密封件本身的紧密性，并保证在这样的弹塑性变形的情况下，接触面之间的密封（垫片）工作应力有效高于被密封流体的压力，从而阻断了流体通过法兰密封面和密封件（垫片）本身的泄漏，因此，在这样的密封概念之下，密封连接的设计重点主要在于通过密封材料性能和密封件结构的改进、提高和完善，来提升密封件本身的弹塑性变形能力、抗蠕变应力松弛和抗疲劳失效的能力，以最大限度来减少或补偿密封应力的缺失。这是传统密封设计概念，目前大部分的连接接头形式都是这种形式。

图1 非金属碰金属法兰连接接头(FLT)

这种连接接头形式的垫片应力从安装到运行，以及在运行期间，应力都会有较大的变化。比如：安装载荷必须考虑抵抗介质推力，这部分的载荷，在介质压力产生之前，全部作用在密封面上，如果介质压力足够大，垫片会存在被压溃的可能，工程实践中，水压试验合格的连接接头，在正式投运后产生严重泄漏，其中的原因之一，就是在安装载荷已将垫片“压溃”。另外，更为苛刻的条件是，由于温度交变（热冲击或热循环）、压力波动或由频繁开停车带来的交变载荷，密封垫片工作应力也会跟随交变，引起疲劳失效，这就给传统密封设计概念下的密封件带来了巨大的局限性。

（3）新型“金属-碰-金属”密封概念

较之“非金属-碰-金属（Non-Metal-to-Metal）”，“金属-碰-金属（Metal-to-Metal）密封概念或恒密封应力（Constant Stress Gasket）”是革命性的。

要保证密封的持续有效，就是要保证密封工作应力σgo在密封服役期内，无论出现何种可能导致密封工作应力缺失的因素，始终能保持大于介质压力，并保持在某一个有效数值范围之内或恒定在某一个数值上。

图2 金属碰金属法兰连接接头(MMC)

图3 MMC垫片实物照

如图1-b所示，密封件设置限制环，在密封连接部件安装的时候，保证法兰金属表面直接接触（指凹凸面法兰或隼槽法兰）或和密封件限制环金属表面接触，并保证在密封服役期内，始终保持金属面的接触，螺栓载荷通过法兰面分别作用于密封面和金属限制环上，从而保证了密封工作应力在密封服役期间的恒定。

除此之外，这种密封结构保证了法兰金属与密封件金属限制环的充分接触，限制了法兰的刚性变形，提高了整个连接部件的刚度，大大降低了密封连接部件对外加弯矩、温度、压力变化等敏感性。

在螺栓初始载荷的作用下，垫片石墨密封环被压缩至与金属厚度一致，

按照这一新型密封概念，结合材料的特征，一种纯石墨和金属组合的恒应力垫片便应运而生，即MMC垫片。

（4）MMC垫片的工作原理

见图和表所示：

图4 MMC垫片工作原理图

表2 MMC垫片工作原理描述

（5）MMC与FLT的对比

综上所述，MMC与FLT的对比如表所示

表3 MMC与FLT的对比表

 3.2 抗逸散填料技术

（1）保证填料密封有效的关键因素

如前所述，7大因素直接或间接造成填料侧向应力不足及紧密度不够，从而导致填料密封失效。解决填料侧向应力不足及紧密度不够，是解决填料密封问题的关键。

（2）抗逸散填料是对普通填料技术的突破

抗逸散填料通过结构设计、材料改性提升、填料力学性能与密封性能优化，将阀门泄漏控制在极低水平线上，大大减少了包括挥发性有机物（VOCs）在内的有害物质的泄漏总量和环境污染。同时具有良好的自润滑性和抗挤压性，它们能使阀杆转动或升降产生的摩擦力变得更小、阀杆扭矩更低，这样既保证了密封效果，又增加了阀门开闭的灵活度，大大降低了阀门安装、使用和更换的工作强度，也使阀杆磨损得到改善，进而提高了阀门的寿命。

图5 抗逸散填料图例

表4 抗逸散填料与普通填料的对比

 4、研发成果和工程业绩。

-研发成果就是要呈现我们的试验结果（比如试验泄漏率比对以及不同因素对泄漏率的影响，认证情况等）

4.1恒应力密封垫片

（1）实现极低氦检漏检测数据

部分典型测试数据达到了1.0×10-8~1.0×10-10的级别。

图6 氦检漏图例

图7 氦检漏部分典型测试数据

（2）VOCs试验实现低泄漏水平

A组试验达到10 ppmv(μmol/mol)以下，B组试验也在ppmv(μmol/mol)以下，全面实现了VOCs低泄漏控制水平。

图8 VOCs试验数据（A组+B组）

（3）实现石油化工现场大幅度减排

恒应力垫片已成功应用于石油化工各高温、高压、温度压力交变工况等苛刻环境下，解决了密封宏观泄漏问题，并实现了对VOCs排放的有效控制，以某石化采用恒应力密封垫片LDAR修复前和修复后对比为例，从最高2万多 ppmv(μmol/mol)在第一次修复后所有部位降到了10ppmv以下，单点最高减排率为99.974%，运行半年后泄漏最高值不超过20ppmv。

图9 典型工程LDAR修复前后对比

4.2 抗逸散填料

抗逸散填料持续推陈出新，从低泄漏→极低泄漏！

表5 新型抗逸散填料提升对比表

图10 API622四分之一回转试验数据对比

图11 API622升降运动试验数据对比

5、结论

密封技术需要结合需求，针对泄漏原因，对症下药，方得长治久安。通过结合石油化工设备的密封需求，分析了垫片泄漏5大原因和填料泄漏7大原因，并提出了恒应力垫片和抗逸散填料的解决方案，取得了良好的实用效果，实现了需求→设计→实现→应用→需求的循环优化，之后将进一步遵循石油化工设备无泄漏密封研发应用技术路线，持续为石化安全生产和环境保护保驾护航。

图12 无泄漏密封研发应用技术路线

作者：马志刚、毛华平、顾洪翔、朱建强、韩嘉兴