摘要：針對石油化工行業密封狀況，對泄漏類型進行識別，通過分析墊片5大泄漏原因和填料7大泄漏原因，從保證密封工作應力σgo和提升填料側向應力及自身緊密度入手，研發了恒應力密封墊片和抗逸散填料，實現了極低泄漏率，取得相關低泄漏認證，推進石化現場工程應用，實現了VOCs大幅減排。
關鍵詞：泄漏管理，泄漏原因分析，恒應力密封，抗逸散填料，VOCs控制
1、背景：
1.1目前石油化工行業密封狀況
石油化工生產工藝具有高溫高壓、易燃易爆、有毒有害、長周期運行等特點，由溫度、壓力波動及老化、振動、腐蝕等因素引起設備、管線以及閥門、法蘭等密封連接部位發生的泄漏一直是影響石化生產安全、環保運行的重大問題。據“化學品事故信息網”統計，國內近5年10224起火災、爆炸、人員中毒和環境污染事故中，有4109起是由泄漏或密封管理缺失造成的，占比達40.2%。國外以2018年3月份發生的140起國外化學品事故為例，從事故類型來看，也是泄漏事故占比最大為120起，占事故總量的85.71%。可見，降低乃至消除密封泄漏隱患是行業亟待解決的問題。
泄漏管理工作是一項基礎性工作，微小泄漏如果不被發現，不被處理，有可能由小變大，積少成多，由量變到質變，從而引發嚴重的安全、健康和環境問題。突發性泄漏如果不被及時預警、控制和處置，也將導致火災、爆炸和中毒等后果。因此需要充分重視企業泄漏管理工作。
1.2 泄漏類型
要做好泄漏管理，需要做好泄漏識別并對癥下藥。泄漏一般分為可見泄漏和逸散性泄漏。
可見泄漏分為連接部位泄漏、腐蝕或裂紋穿透性泄漏等，其中連接部位泄漏所占比例較大，是本文討論的重點。可見泄漏具有突發性、單次泄漏量大、直接危害大、出現幾率小等特點，可見泄漏是引起燃燒、爆炸等安全事故的主要原因之一。
逸散性泄漏是指不可見的微量泄漏，是揮發性有機物（VOCs）無組織排放的主要形式，具有單位時間泄漏量小、持續時間長、覆蓋范圍廣、累積泄漏總量大等特點，是PM2.5的主要形成原因之一。
表1 可見泄漏與逸散性泄漏對比表
類別 | 可見泄漏 | 逸散性泄漏 |
發生時間 | 突發 | 每時每刻，持續 |
發生幾率 | 偶發 | 幾乎100% |
泄漏量 | 宏觀可見，分為一般泄漏和嚴重泄漏，泄漏量可能會較大 | 微量，需要儀器測量檢出 |
安全危害 | 燃燒、爆炸、（急性）中毒 | 燃燒和爆炸的幾率較小，可能造成慢性累積性中毒 |
環保危害 | 短時間內就可能造成局部重度污染，單次污染量大 | 持續性累積污染，PM2.5的主要成因之一；單體污染為輕度，但泄漏單元數量巨大，泄漏總量比可見泄漏更高 |
是否可消除 | 可消除 | 幾乎不可消除，可降低。 |
適用密封 | 工業密封 | 逸散密封 |
2、泄漏主要原因
要加強泄漏管理，需要從泄漏的源頭原因進行分析以尋求最佳的解決方案。
2.1 墊片泄漏的5大原因
5大因素使墊片工作密封應力σgo的缺失（或補償位移不足），從而導致墊片密封失效。
2.1.1 工藝原因
（1） 介質壓力波動，會加劇緊固件與密封件的疲勞
（2） 溫度波動（熱沖擊），由于熱膨脹系數的影響導致緊固件松弛及密封墊片應力變化
（3） 機械或流體的振動等，對連接部件與密封件均有影響
（4） 管道推力過大，法蘭存在強制分離趨向或擠壓，并增大法蘭偏轉角
（5）
2.1.2 法蘭原因
（1） 法蘭強度或剛度不足，造成翹缺，變形或失穩
（2） 法蘭的偏轉超限，墊片內半徑到外半徑壓縮量不同導致密封應力不均
（3） 外加彎矩，造成連接結構受力與墊片應力的分布不均勻
（4） 法蘭表面的狀況差，存在損傷、腐蝕等
2.1.3 螺栓原因
（1） 螺栓應力和蠕變松弛，造成墊片應力下降
（2） 螺栓的彎曲造成緊固失效
（3） 螺栓螺母塑性變形超限
（4） 螺紋咬死，無法有效緊固
2.1.4 墊片本身原因
（1） 回彈力缺失，無法有效補償各因素引起的法蘭面的分離
（2） 應力和蠕變松弛造成的密封應力缺失
（3） 密封比壓低、疲勞
（4） 老化、腐蝕（磨蝕）造成的密封件損傷與質量損失
（5） 材料不適配工況，不耐溫、不耐壓及不耐介質
（6） 墊片自身緊密度低，界面泄漏和層間泄漏超限
2.1.5 安裝原因
（1） 法蘭不同軸、周向錯位
（2） 法蘭平行度超限
（3） 墊片安裝前間隙過大，造成虛載荷
（4） 載荷周向不均勻，易造成薄弱環節
（5） 安裝載荷不準確，或載荷不足或過載壓潰
（6） 密封置入時，出現碰傷，形成泄漏通道
2.2 填料泄漏的7大原因
7大因素直接或間接造成填料側向應力不足及緊密度不夠，從而導致填料密封失效。
2.2.1工藝原因
（1） 介質壓力波動
（2） 介質溫度變化
（3） 閥桿動作過于頻繁，易造成填料過熱、磨損等
（4） 介質中顆粒雜質影響
（5） 缺少填料冷卻系統，填料易燒損
2.2.2 閥桿原因
（1） 閥桿強度不夠
（2） 閥桿粗糙度過大
（3） 閥桿表面拉傷
（4） 閥桿彎曲
（5） 閥桿偏心
（6） 閥桿腐蝕
2.2.3 填料函原因
（1） 填料函過深，填料總體高度過高造成過大的閥桿壓緊力和摩擦力，容易引起閥桿磨損嚴重而導致填料泄漏
（2） 填料函過淺，填料總體高度不夠，介質壓力大于壓緊力，導致填料泄漏
（3） 填料函外壁表面受損
2.2.4 填料壓蓋原因
（1） 壓蓋偏斜
（2） 壓蓋變形
（3） 壓蓋強度不足
（4） 壓蓋與閥桿間隙過大
2.2.5 填料壓蓋螺栓原因
（1） 螺栓應力和蠕變松弛，造成墊片應力下降
（2） 螺栓的彎曲造成緊固失效
（3） 螺栓螺母塑性變形超限
（4） 螺紋咬死，無法有效緊固
2.2.6 填料本身原因
（1） 回彈力缺失，密封應力缺失
（2） 干涸發硬
（3） 老化、腐蝕（磨蝕）
（4） 填料摩擦系數過大
（5） 填料側壓系數過小
（6） 材料自身緊密性差，界面泄漏與層間泄漏
（7） 材料不適配（不耐溫度、壓力、線速度、介質等）
（8） 填料不耐擠出
（9） 材料含水量超標低溫下結冰
（10） 填料尺寸公差配合不合適
3、針對泄漏主要原因的密封解決方案
3.1采用新設計理念（金屬碰金屬）的恒應力密封墊片
（1）保證墊片密封有效的決定因素
如前所述，5大因素使墊片工作密封應力σgo的缺失（或補償位移不足），從而導致墊片密封失效。要保證密封的持續有效，就是要保證密封工作應力σgo在密封服役期內，能夠保持大于介質壓力。
（2）傳統“非金屬-碰-金屬”密封概念
傳統的密封概念是“非金屬-碰-金屬（Non-Metal-to-Metal）密封概念或彈性體概念（Elastomeric Concept）”，就是螺栓載荷作用在法蘭和密封件（或墊片）的密封接觸面上，形象的比喻就是“法蘭坐在‘彈簧上’”，因此這樣的連接接頭，也叫浮動式連接接頭，簡稱“FLT”（Floating），密封件本身受壓發生彈塑性變形，這種變形，一方面彌合了密封件和法蘭接觸面之間宏觀和微觀的各種缺陷，另一方面，提高了密封件本身的緊密性，并保證在這樣的彈塑性變形的情況下，接觸面之間的密封（墊片）工作應力有效高于被密封流體的壓力，從而阻斷了流體通過法蘭密封面和密封件（墊片）本身的泄漏，因此，在這樣的密封概念之下，密封連接的設計重點主要在于通過密封材料性能和密封件結構的改進、提高和完善，來提升密封件本身的彈塑性變形能力、抗蠕變應力松弛和抗疲勞失效的能力，以最大限度來減少或補償密封應力的缺失。這是傳統密封設計概念，目前大部分的連接接頭形式都是這種形式。
圖1 非金屬碰金屬法蘭連接接頭(FLT)
這種連接接頭形式的墊片應力從安裝到運行，以及在運行期間，應力都會有較大的變化。比如：安裝載荷必須考慮抵抗介質推力，這部分的載荷，在介質壓力產生之前，全部作用在密封面上，如果介質壓力足夠大，墊片會存在被壓潰的可能，工程實踐中，水壓試驗合格的連接接頭，在正式投運后產生嚴重泄漏，其中的原因之一，就是在安裝載荷已將墊片“壓潰”。另外，更為苛刻的條件是，由于溫度交變（熱沖擊或熱循環）、壓力波動或由頻繁開停車帶來的交變載荷，密封墊片工作應力也會跟隨交變，引起疲勞失效，這就給傳統密封設計概念下的密封件帶來了巨大的局限性。
（3）新型“金屬-碰-金屬”密封概念
較之“非金屬-碰-金屬（Non-Metal-to-Metal）”，“金屬-碰-金屬（Metal-to-Metal）密封概念或恒密封應力（Constant Stress Gasket）”是革命性的。
要保證密封的持續有效，就是要保證密封工作應力σgo在密封服役期內，無論出現何種可能導致密封工作應力缺失的因素，始終能保持大于介質壓力，并保持在某一個有效數值范圍之內或恒定在某一個數值上。
圖2 金屬碰金屬法蘭連接接頭(MMC)
圖3 MMC墊片實物照
如圖1-b所示，密封件設置限制環，在密封連接部件安裝的時候，保證法蘭金屬表面直接接觸（指凹凸面法蘭或隼槽法蘭）或和密封件限制環金屬表面接觸，并保證在密封服役期內，始終保持金屬面的接觸，螺栓載荷通過法蘭面分別作用于密封面和金屬限制環上，從而保證了密封工作應力在密封服役期間的恒定。
除此之外，這種密封結構保證了法蘭金屬與密封件金屬限制環的充分接觸，限制了法蘭的剛性變形，提高了整個連接部件的剛度，大大降低了密封連接部件對外加彎矩、溫度、壓力變化等敏感性。
在螺栓初始載荷的作用下，墊片石墨密封環被壓縮至與金屬厚度一致，
按照這一新型密封概念，結合材料的特征，一種純石墨和金屬組合的恒應力墊片便應運而生，即MMC墊片。
（4）MMC墊片的工作原理
見圖和表所示：
圖4 MMC墊片工作原理圖
表2 MMC墊片工作原理描述
工作階段 | 作用描述 |
初始壓縮階段 | 在螺栓初始載荷Fi的作用下，墊片石墨密封環被壓縮至與金屬厚度一致，此時密封面上的初始應力為σgi=Fi/S（S：墊片密封面的有效面積），初始應力σgi需要遠大于流體介質壓力P |
繼續增加載荷 | 金屬和石墨相比，其可壓縮性可以忽略不計，此時石墨上的σgi恒定不變，而額外的螺栓載荷可認為全部作用在金屬限制環上，此額外載荷ΔF會在金屬環上產生②外環載荷fgw和④內環載荷fgn |
工作階段 | 當溫度壓力波動、熱沖擊、螺栓應力松弛蠕變等造成密封應力缺失時，首先釋放的是儲存在金屬外環和金屬內環上的額外載荷，當外環載荷和內環載荷之和遠大于由于各種因素引起的載荷缺失（應力缺失Δσ* 面積S）時，則將保證法蘭和密封件金屬限制環接觸不分離，就能保證在密封墊片整個服役期內墊片工作應力的σgo有效、恒定，從而保證了密封連接部件的持續安全、有效、可靠。 |
（5）MMC與FLT的對比
綜上所述，MMC與FLT的對比如表所示
表3 MMC與FLT的對比表
法蘭連接形式 | 金屬碰金屬的法蘭連接接頭，即MMC | 浮動式法蘭連接接頭，即FLT |
墊片類型 | 金屬-碰-金屬 | “非”金屬-碰-金屬 |
密封原理 | 由于采用金屬碰金屬的設計理念，在密封服役期內，墊片應力保持恒定，從而保證密封的持續有效。上世紀80年代初提出，90年代開始廣泛使用。 | 由墊片本身彈塑性能來保證密封服役期間的有效密封應力。 |
泄漏率標準試驗方法 | 氦真空檢漏 | 氮氣正壓法 |
現場密封性能表現 | 恒應力設計使得密封應力保持基本恒定，密封性能持續穩定。 | 主要通過墊片本體的回彈性，保證其密封性能。在使用初期可滿足相應工況，但隨著運行時間的變化，墊片彈性結構逐漸松弛，回彈性逐漸降低，無法保證其密封比壓，泄漏率逐漸上升。 |
回彈性的重要性 | 事實上，只要在密封服役期內保證金屬-碰-金屬，并不主要依靠回彈位移來補償密封應力的缺失。 | 必須保持持續的回彈性，否則，密封應力就會缺失。 |
對熱沖擊和壓力波動的敏感性 | 由于在初始設計的時候就保證墊片應力的恒定，任何因素造成的應力缺失都在設計和安裝時做了充分的考慮補償。 | 非常敏感，極易發生補償不足的情況，最終導致密封失效。 |
抗疲勞失效 | 由于純石墨環裝配于兩個金屬環之間，限制環受到的是正應力作用，而且應力值遠小于材料的彈性極限，因此不會發生疲勞失效。 | 在交變載荷的作用下，墊片容易出現疲勞，從而使墊片失去回彈性。 |
整體剛度 | 由于采用金屬-碰-金屬的設計，法蘭和墊片的整體剛度得到大幅增強。 | 在墊片密封受力面處形成的反力和螺栓的作用力形成彎矩，對法蘭的整體剛度影響較大。 |
安裝要求 | 1、安裝必須保證金屬-碰-金屬 2、由于采用金屬-碰-金屬的設計，允許過載。 3、安裝時對密封面保護的要求相對高，密封面破壞后失效風險相對高。 4、要他要求與纏繞墊等“金屬-碰-金屬”墊片相同 | 1、不允許過載，否則，墊片有被壓潰的可能。 2、安裝時對密封面保護的要求相對低，密封面破壞后密封失效風險相對低。 |
3.2 抗逸散填料技術
（1）保證填料密封有效的關鍵因素
如前所述，7大因素直接或間接造成填料側向應力不足及緊密度不夠，從而導致填料密封失效。解決填料側向應力不足及緊密度不夠，是解決填料密封問題的關鍵。
（2）抗逸散填料是對普通填料技術的突破
抗逸散填料通過結構設計、材料改性提升、填料力學性能與密封性能優化，將閥門泄漏控制在極低水平線上，大大減少了包括揮發性有機物（VOCs）在內的有害物質的泄漏總量和環境污染。同時具有良好的自潤滑性和抗擠壓性，它們能使閥桿轉動或升降產生的摩擦力變得更小、閥桿扭矩更低，這樣既保證了密封效果，又增加了閥門開閉的靈活度，大大降低了閥門安裝、使用和更換的工作強度，也使閥桿磨損得到改善，進而提高了閥門的壽命。
圖5 抗逸散填料圖例
表4 抗逸散填料與普通填料的對比
序號 | 項目 | 普通填料 | 抗逸散填料 |
1 | 結構 | 矩形、V型、平行四邊形等 | 矩形為主 |
2 | 力學 | 對側壓系數的數值和均勻度及摩擦系數值等有要求，但要求不高 | 要求側壓系數大，均勻度好；摩擦系數比普通填料更低 |
3 | 材料 | 主材+輔材 | 主材+輔材，采用材料改性技術 |
4 | 自身緊密度 | 自身緊密度要求較低 | 要求極高的自身緊密度 |
5 | 泄漏率控制 | 無可見泄漏 “目測無泄漏” | 控制極低的“接觸”泄漏 控制極低的材料間隙泄漏 “鼻測無泄漏”；儀器檢測在合格范圍內 |
6 | 閥門配合 | 對填料函、閥桿質量與尺寸等有一定要求 | 對填料函、閥門質量與尺寸配合等要求極高 |
7 | 試驗方法 | 液體或氮氣 | 氣體介質（He、CH4） |
8 | 溫度 | 根據材料不同，可耐不同溫度 | 同等主材的情況下， 使用溫度一致或略低 |
9 | 壓力 | 根據材料和結構，可耐不同壓力 | 同左 |
10 | 介質 | 根據材料不同，可耐不同介質 | 同左 |
11 | 認證試驗要求 | 《壓力管道型式試驗規則》規定的型式試驗 | API622,API624,API641,ISO15848,VDI2440，Shell Spec 77/312 |
12 | 應用場合 | 普通工業閥門等 | 低泄漏閥門等 |
4、研發成果和工程業績。
-研發成果就是要呈現我們的試驗結果（比如試驗泄漏率比對以及不同因素對泄漏率的影響，認證情況等）
4.1恒應力密封墊片
（1）實現極低氦檢漏檢測數據
部分典型測試數據達到了1.0×10-8~1.0×10-10的級別。
圖6 氦檢漏圖例
圖7 氦檢漏部分典型測試數據
（2）VOCs試驗實現低泄漏水平
A組試驗達到10 ppmv(μmol/mol)以下，B組試驗也在ppmv(μmol/mol)以下，全面實現了VOCs低泄漏控制水平。
圖8 VOCs試驗數據（A組+B組）
（3）實現石油化工現場大幅度減排
恒應力墊片已成功應用于石油化工各高溫、高壓、溫度壓力交變工況等苛刻環境下，解決了密封宏觀泄漏問題，并實現了對VOCs排放的有效控制，以某石化采用恒應力密封墊片LDAR修復前和修復后對比為例，從最高2萬多 ppmv(μmol/mol)在第一次修復后所有部位降到了10ppmv以下，單點最高減排率為99.974%，運行半年后泄漏最高值不超過20ppmv。
圖9 典型工程LDAR修復前后對比
4.2 抗逸散填料
抗逸散填料持續推陳出新，從低泄漏→極低泄漏！
表5 新型抗逸散填料提升對比表
序號 | 項目 | 抗逸散填料 | 新型抗逸散填料 |
1 | 適用標準1 | API 622-2011 | API 622-2018 |
2 | 標準合格指標 | 500ppmv | 100ppmv |
3 | 認證選擇指標 | 100ppmv | 100ppmv |
4 | 實測結果 | 1/4 回轉52.4ppmv 升降運動15.5ppmv | 1/4 回轉3.8ppmv 升降運動4.3ppmv |
5 | 適用標準2 | ISO 15848-1-2015 | ISO 15848-1:2015 +Amd.1:2017 |
6 | 認證結果 | BH CO1 | AH CO3 |
圖10 API622四分之一回轉試驗數據對比
圖11 API622升降運動試驗數據對比
5、結論
密封技術需要結合需求，針對泄漏原因，對癥下藥，方得長治久安。通過結合石油化工設備的密封需求，分析了墊片泄漏5大原因和填料泄漏7大原因，并提出了恒應力墊片和抗逸散填料的解決方案，取得了良好的實用效果，實現了需求→設計→實現→應用→需求的循環優化，之后將進一步遵循石油化工設備無泄漏密封研發應用技術路線，持續為石化安全生產和環境保護保駕護航。
圖12 無泄漏密封研發應用技術路線
作者：馬志剛、毛華平、顧洪翔、朱建強、韓嘉興
