人孔法兰垫片失效原因分析

王杜娟 王 强 陈 勇 刘 洋 王 乐

(中国石油化工股份有限公司天津分公司，天津 300271)

0 前言

某设备封头人孔法兰垫片安装后失效，造成物料泄漏。该垫片制造标准执行HG 20631-1997《钢制管法兰用缠绕式垫片》。

1 实验方法

1.1 宏观检验

该垫片属于带内外环形垫片，见图1。送检垫片外环完整，缠绕垫及内环均断裂。缠绕垫呈有规律性波浪形，与用于固定法兰的螺栓间距相吻合，见图2。垫片外环存在弯曲变形，表面有3条沿径向扩展裂纹。

垫片内环弯曲变形较明显，部分环面上存在环状凹槽，端面存在较多贯穿上下环面的裂纹，见图3、图4。

图1 垫片的型式

图2 送检垫片

图3 内环靠近缠绕垫处凹槽

图4 内环外径端面处裂纹

1.2 尺寸测量

对失效垫片内环厚度、内环宽度、外环厚度、外环宽度，缠绕金属丝厚度进行测量，数据见表1所示。

HG20631-1997《钢制管法兰用缠绕式垫片》中要求内环及外环厚度为3.0-3.3mm，实测内环厚度低于标准要求，缠绕金属丝厚度符合标准要求偏差范围。

实测外环最大外径为6 9 6 m m，最小外径为6 9 5 m m。图纸提供的垫片尺寸为Φ696.3×571.5×520.7×495.3×4.5mm(数值分别为：外环外径、缠绕垫外径、缠绕垫内径、内环内径、缠绕垫厚度)。实测外环外径与图纸提供的数值相近。

根据实测外环最大、最小外径平均值减去外环宽度平均值计算外环内径，695.5-52.31×2=590.88mm，得出外环内径为590.88mm。对于D型缠绕垫片，图纸提供的缠绕垫外径略大于外环内径，实际测量两者的差值约2.5mm。综合上述计算得出，实际缠绕垫外径为590.88+2.5=593.38mm，比图纸提供缠绕垫片外环大21.88mm，严重偏离标准值。由于内环已经破裂，无法测量其内外径。

表1 垫片尺寸、厚度测量结果，mm

1.3 光谱检测

对失效垫片进行合金元素光谱材质检测，详细见表2。厂方提供图纸上要求垫片外环为Q235，内环为304，缠绕垫金属部分为304，非金属部分为四氟。从检测结果判断，外环使用材料错误，内环Cr含量偏低。

表2 光谱材质检测结果wt%

2 失效原因分析

由宏观检验可知，垫片外环弯曲变形情况说明安装过程中存在不均匀的预紧力。缠绕垫有规律性的波浪形，存在与法兰固定螺栓间挤压的痕迹，说明存在两种可能性：一是在安装过程中，缠绕垫在过大预紧力的作用下变形产生；二是泄漏过程中，物料压力使缠绕垫变形。垫片只在内环的部分环面上有凹槽，凹槽是在预紧力大的部位产生，说明安装过程中存在预紧力不均匀。内环变形方向垂直于环面方向可推断，其失效前已偏离人孔密封面，进入容器内部。

由尺寸测量中缠绕垫外径大于标准值21.88mm，可推断以下两种可能：一是如果内环内径符合标准要求，则缠绕垫宽度将大于标准值10.94mm；二是如果缠绕垫宽度符合标准要求，则内环内径将大于标准值21.88mm。综合以上情况，可推断缠绕垫宽度大于标准宽度10.94mm。

当缠绕垫宽度大于标准宽度，容易造成垫片刚度不足，预紧时便会产生压缩超标，会使垫片产生大量屈服，回弹性能明显降低，密封性能显著下降。同时，垫片在安装过程中存在着预紧力不均匀，部分螺栓预紧力过大。

在上述因素的作用下，最终造成了垫片在使用后短期内出现泄漏失效。

3 结论

缠绕垫宽度超标、安装时预紧过大且不均匀是造成人孔法兰垫片失效的主要原因。

4 建议

(1)加强垫片购置时的质量检验。

(2)现场安装时，预紧力应保持适度均匀。