液氨裝卸鶴管密封失效分析及改進

馬 馳，程亞川，劉 偉

（中石油克拉瑪依石化有限責任公司，新疆克拉瑪依 834000）

0 引言

為有效提高液氨充裝安全可靠性，企業將液氨充裝過程中使用的金屬軟管更換為萬向充裝管道系統，即“鶴管”。車間液氨裝車鶴管在裝車過程中，多次發生拉斷閥、旋轉接頭、卡箍式密封和密封圈等部件密封失效泄漏的問題；與液氨金屬軟管失效相比較，液氨鶴管失效不會造成大的液氨泄漏事故，但少量液氨泄漏也會造成環境污染或人員中毒事件的發生。本文通過升級密封圈材料、更換拉斷閥結構型式和加強設備附件維護等措施，進一步提高了液氨裝車鶴管的可靠性，對液氨鶴管及低溫裝卸設備的維護保養有很好的借鑒意義。

1 液氨鶴管整體描述

1.1 液氨鶴管設備介紹

車間采用液氨裝車鶴管為雙管型（50/25LAY），氣相液相鶴管獨立使用。

（1）液相鶴管。DN50 mm液相鶴臂，旋轉接頭（圖1），DN50 mm拉斷閥，DN50 mm液相管快速接頭等。

（2）氣相鶴管。DN50 mm氣相鶴臂，旋轉接頭，DN50 mm/DN25 mm異徑接頭，DN25 mm拉斷閥，DN25 mm氣相鶴臂，DN25 mm氣相管快速接頭等。

1.2 鶴管泄漏事例（表1）

表1 液氨裝車鶴管密封失效泄漏事例

2 液氨鶴管密封失效分析

2.1 旋轉接頭主密封失效原因分析

（1）旋轉接頭主密封圈是由聚四氟乙烯及內襯304不銹鋼膨脹圈組彈片成（圖2），內襯膨脹圈彈片以增大密封圈的彈性，在一定程度范圍內可實現密封補償。主密封直接與液氨介質接觸，在鶴管泄壓時易產生冷流現象，致使密封PTFE聚四氟乙烯密封圈冷縮失彈，密封性能下降。若主密封圈在高彈狀態迅速進入冷流狀態，PTFE聚四氟乙烯密封圈急劇收縮，304彈片由于硬度相對較高，彈片在密封圈冷縮后發生翅片脆斷，造成主密封失效泄漏。

圖1 旋轉接頭

圖2 旋轉接頭主密封

（2）鶴管在旋轉過程中，由于旋轉接頭滾道滾球潤滑不到位，出現旋轉卡澀，在自身部件重量和外力作用下，導致滾道滾球和主密封圈受力不均。運轉過程中造成主密封圈不均勻磨損，內襯膨脹圈無法實現補償，造成旋轉接頭細微泄漏。

2.2 拉斷閥失效泄漏原因分析

（1）拉斷閥O形密封圈脆斷失效。拉斷閥閥體內有3個O形密封圈，材料為氟橡膠；由于氟橡膠的耐低溫性能一般，它能保持彈性的極限溫度一般為，氟橡膠玻璃化溫度在左右：橡膠在達到玻璃化溫度后，分子鏈段會凍結，橡膠硬化變脆，呈現玻璃態，喪失橡膠彈性。液氨在充裝過程中，鶴管泄壓時液氨迅速氣化可導致鶴管內壁溫度快速下降至，氟橡膠由高彈狀態迅速進入玻璃化溫度而彈性消失，在介質壓力作用下，出現O形圈脆斷（圖3），即氟橡膠O形密封圈無法滿足低溫運行要求。

（2）拉斷閥拉斷螺桿斷裂密封失效（圖4）。DN50 mm拉斷閥拉斷強度應力為13 kN，DN25 mm拉斷閥拉斷強度應力為4.8 kN。拉斷閥最大拉力強度原則上將純軸向張力作為計算基礎，即管線收到的張力平均分配到3顆拉斷螺桿上。在實際工況下，拉斷閥受到斜向張力，斜拉角度越大，張力負荷越集中在一顆或最多兩顆拉斷螺桿上，這時拉斷閥在較低閾值發生斷裂。而受到斜線張力更接近實際工況，在裝車過程中拉斷閥長期受到一個方向斜向張力作用（拉斷閥外側一段的重量及拉斷閥內側一段鶴臂拉簧拉力），導致一顆螺桿集中受力，使得一顆拉斷螺桿延伸預緊力不夠，導致拉斷閥中體密封泄漏。由于N25 mm拉斷閥拉斷強度較低，在鶴管對接安裝及充裝過程中受到斜線張力大于單個拉斷螺桿閾值，導致了N25 mm拉斷閥拉斷螺桿斷裂。

圖3 拉斷閥O形密封圈脆斷

圖4 拉斷閥拉斷螺桿斷裂

圖5 卡箍式連接拉斷閥

圖6 卡箍密封圈擠壓咬傷

（3）拉斷閥卡箍密封失效（圖5）。拉斷閥卡箍連接結構裝配缺陷將嚴重影響卡箍密封的可靠性和穩定性?？ü垦b配過松：裝配過松致使裝配完成后連接部位沒有被完全約束，受到擾動可以在一定范圍內位移，密封效果降低。卡箍裝配過緊：裝配過勁致使密封圈處于壓縮狀態，使用時間越長、壓縮率越大，則由橡膠應力松弛而產生的應力下降就越大，以致密封圈彈性下降密封能力降低?？ü績蓚葻o支撐或吊架：卡箍密封處不能承受過大的徑向力，一般要求在卡箍兩側安裝支撐或吊架。由于拉斷閥卡箍兩側無固定支撐，裝車過程中卡箍密封部位承受一定的扭力和彎矩，卡箍密封圈擠壓形成擠壓咬傷，致使卡箍密封圈密封性能下降（圖6）。

2.3 快速接頭O形圈密封失效

（1）扭曲現象?？焖俳宇^（圖7）與槽車對接時，O形圈沿周向發生扭轉滾動，造成O形圈扭曲損壞和泄漏（圖8）。

（2）磨粒磨損現象。當工作環境中的灰塵和沙粒等被粘附在密封的間隙表面，成為侵入O形密封圈表面的磨粒，加速了O形圈的磨損，以致失去密封性。

3 改進措施

3.1 旋轉接頭改進措施

（1）液氨裝車過程中，鶴管泄壓時應平穩操作，防止液氨汽化后鶴管表面結霜，可有效降低冷流現象導致主密封圈失彈，確保主密封圈密封效果。

圖7 快速接頭及防塵蓋

圖8 快速接頭密封圈損傷

表2 各種常用橡膠玻璃化溫度

（2）將原304材料不銹鋼彈片改為316L材料不銹鋼彈片，降低彈片硬度，在滿足密封圈彈性同時降低了主密封彈片脆斷風險。

（3）合理制定旋轉接頭滾道滾球加脂潤滑周期，防止卡澀造成主密封面不均勻磨損。根據鶴管使用頻率，旋轉接頭加脂周期應13月為宜。

3.2 拉斷閥密封改進措施

（1）拉斷閥O形密封圈采用三元乙丙橡膠：三元乙丙橡膠有良好耐氨性、耐低溫性，其玻璃化溫度Tg約-60左右，可滿足低溫運行要求，有效避免了裝車過程冷流導致密封圈脆斷。各種常用橡膠玻璃化溫度可參考表2。

（2）氣相鶴管DN25 mm拉斷閥拉斷強度應力較低，在充裝鶴管拉斷閥受到斜向張力作用致使拉斷螺桿斷裂，由于拉斷閥所受斜向張力無法消除，車間通過換大拉斷閥規格型號，即將DN25拉斷閥更換為DN50 mm拉斷閥，有效地提高氣相鶴管拉斷閥抗拉斷能力，確保氣相拉斷閥安全可靠。氣相鶴管變更為：DN50 mm氣相鶴臂，旋轉接頭，DN50 mm拉斷閥，DN50 mm/DN25 mm異徑接頭，DN25 mm氣相鶴臂，DN25 mm氣相管快速接頭。

（3）拉斷閥卡箍密封結構安裝時，較難控制安裝部位同心度和卡箍螺栓預緊力；由于拉斷閥卡箍兩側無固定支撐，卡箍密封處承受了一定的徑向力，使得卡箍密封效果無法保障。為了徹底消除卡箍密封帶來的隱患，將卡箍式連接拉斷閥更換為螺紋連接拉斷閥，密封型式由卡箍式密封變為螺紋+靜密封圈密封，密封可靠性大幅提高。

3.3 快速接頭O形圈整改措施

（1）選用硬度合適的密封材料控制密封間隙。O形圈的硬度范圍，低硬度者用于低壓，高硬度者用于高壓。同時，安裝時應在密封部位和接頭部位進行潤滑，可有效防止O形圈發生扭轉損傷。

（2）快速接頭的防塵蓋在裝車完成后一定要蓋好，防止沙塵等顆粒進入。

4 總結

通過對液氨裝卸鶴管密封部位失效分析和改進，有效地提高了鶴管裝車可靠性，降低了鶴管密封部位泄漏的風險和隱患，確保了液氨裝車安全可靠，對液氨裝卸鶴管及低溫裝卸設備維修保養均具有較好的借鑒意義。