重庆建峰化工股份有限公司(以下简称建峰化工公司)800 kt/a尿素装置高压系统采用的是荷兰斯塔米卡邦公司的专利设备，设备运行温度为140~160 ℃，操作压力为13.5~15.5 MPa。由于在尿素合成过程中产生腐蚀性较强的氨基甲酸铵，因此设备壳体采用复合材料，由耐腐蚀的内衬和承压的强度层构成，内衬采用Safurex超级双相钢，强度层采用低合金碳钢，在内衬和强度层之间设置泄漏通道。

设备封头及人孔法兰密封面均为平面，一部分密封环由耐蚀材料堆焊加工而成，一部分密封环由耐蚀材料毛坯加工镶嵌而成。法兰密封垫采用耐高温、耐腐蚀的金属复合齿形垫，是一种金属与非金属的组合垫片。在斯塔米卡邦公司的工艺包中，专利商对齿形垫的使用有条件限制，如金属芯的再使用和垫片预紧力等均需满足一定的要求。但在实际应用过程中，按专利商的要求进行使用，往往会出现一些问题，如建峰化工公司尿素高压圈设备在检修结束回装垫片后，发生了法兰泄漏的情况，给装置的稳定运行带来了较大的影响。

齿形垫是一种在金属芯表面带有锯齿形结构的垫片，垫芯一般选用金属材料，由精密车床在金属平垫片的两面加工成同心的锯齿槽，根据不同的介质，表面密封垫可选择柔性石墨、聚四氟乙烯(PTFE)、无石棉板或其他一些软金属，粘贴在金属芯的两面作为密封层，避免金属与金属的直接接触，防止法兰受损。

斯塔米卡邦公司的专利设备使用的齿形垫，垫芯采用316L不锈钢，表面密封层为PTFE，结构见图 1。316L材料本身具有较强的耐腐蚀性，即使PTFE破损，对垫片的整体影响也不大。PTFE具有较好的耐高温性和良好的耐腐蚀性，能够完全适应含氨基甲酸铵的尿素高压圈环境。

图 1

齿形垫结构

齿形垫使用时，法兰螺栓会给垫片施加一个预紧力P，见图 2。预紧力对密封面施加压紧载荷，产生压紧应力，使金属垫芯产生弹性变形，非金属外皮PTFE被压入齿形槽中，形成多道平面密封，填补密封面间隙，堵塞泄漏通道，达到密封效果。螺栓预紧力的大小须满足使用温度、压力和压强温度乘积值的要求。

图 2

齿形垫工作原理

二氧化碳汽提法尿素装置的高压圈设备包括汽提塔、洗涤塔、池式冷凝器、合成塔，设备封头法兰和通行人孔法兰的密封面、密封垫设计要求为：①齿形垫必须设置在设备双相钢堆焊层或成型环表面；②齿形垫支撑密封环或堆焊层厚度至少达到6 mm，且必须与设备碳钢壳体牢固结合，见图 3；③支撑密封环或堆焊层密封面拉伤后可以重新加工；④支撑密封环或堆焊层材料强度和耐腐蚀性不能低于设备衬里材料；⑤垫芯在使用后未受到损伤，可以重复使用。

图 3

齿形垫安装位置

在斯塔米卡邦公司的高压专利设备中，汽提塔设计有上下两个相同的封头通行口，洗涤塔设计有上封头、下封头、人孔等3个不同的通行口，池式冷凝器设计有1个人孔通行口，合成塔设计有1个封头通行口，各通行口法兰密封齿形垫规格见表 1。

从表 1可知，高压设备齿形垫的垫芯采用6 mm厚316L金属材料，外皮采用0.5 mm厚PTFE，垫片外径根据设备情况取值，垫片宽为25~40 mm，以满足各设备密封要求。

为更好地达到密封效果，斯塔米卡邦公司还根据设备的运行温度、操作压力，规定了设备水压条件和运行参数下螺栓单位面积预紧力P(见表 2)，同时提出了各法兰螺栓的预紧顺序和预紧步骤。

从表 2可知，水压试验与操作条件下的齿形垫螺栓预紧力之间存在差值，这是考虑水压试验螺栓预紧力为1.25倍设计压力乘以应力修正系数的结果。

齿形垫的应用情况说明，一味照搬规程或规范，有时起不到应有的作用，只有根据实际情况，不断调整修正，才能取得更好的效果。当前，各种规范较多，在使用时，要认识到规范的局限性，结合自身实际使用效果，不断加以改进。