成品油管線的發(fā)球筒快開盲板唇形密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化

蒲斌 王洪健 宋連剛 沈亮

1中國石油西部管道公司

2北京油氣調(diào)控中心

快開盲板是指壓力管道或壓力容器的圓形開口上，能實(shí)現(xiàn)快速開啟或關(guān)閉的一種機(jī)械裝置[1]；常見結(jié)構(gòu)包括牙嵌型、卡箍型、插扣型、環(huán)鎖型等[2]，廣泛應(yīng)用于石化行業(yè)中需經(jīng)常啟閉的設(shè)備[3]，如常用于收發(fā)球筒、過濾器或其他壓力容器的圓形開口上，可以快速進(jìn)行開關(guān)操作。

烏蘭成品油管道某中間站，成品油收、發(fā)球筒快開盲板在收、發(fā)球筒內(nèi)低壓時(shí)均有非常小的滲漏現(xiàn)象，管線輸送介質(zhì)為0#柴油和國Ⅳ、Ⅴ汽油，輸送介質(zhì)壓力為1.6～6.5 MPa，所用快開盲板廠家為法國Groupe Genoyer Piping Technologies，規(guī)格26"DP10 MPa×24 mm W/T，快開盲板材質(zhì)ASME SA350 LF2，設(shè)計(jì)壓力10 MPa。

在對成品油快開盲板的檢查過程中發(fā)現(xiàn)，快開盲板多處發(fā)生銹蝕，密封面有多處凹坑，如圖1所示，一處腐蝕凹坑深度大概1 mm 左右，腐蝕坑內(nèi)有成品油積聚。密封面有致密的密封水線，凹坑破壞了密封水線，因此造成快開盲板發(fā)生滲漏。此時(shí)，通過更換新的密封圈不能解決快開盲板的滲漏問題。

圖1 快開盲板密封面銹蝕情況Fig.1 Corrosion of sealing surface of fast-opening blind

油氣管線的收發(fā)球筒快開盲板為焊接安裝，對于密封面處理的方式一般需拆除后離線修復(fù)，但是，拆除運(yùn)行的輸油氣干線收發(fā)球筒的作業(yè)成本、安全風(fēng)險(xiǎn)均非常高，因此，需要采取在線處理快開盲板密封滲漏的維護(hù)方式。

1 快開盲板密封結(jié)構(gòu)

法國PT 公司的NLS 快開盲板大量應(yīng)用于烏鄯蘭原油管道、烏蘭成品油管道收發(fā)球筒及過濾器。圖2 為NLS 快開盲板的密封結(jié)構(gòu)，其中，圖2a 為NLS 快開盲板關(guān)閉狀態(tài)時(shí)的結(jié)構(gòu)簡圖，圖2b 為密封結(jié)構(gòu)圖。NLS快開盲板的結(jié)構(gòu)類型為剖分環(huán)式快開盲板，采用唇形密封[4]的自緊式密封結(jié)構(gòu)[5]，選用的是“U”形唇封橡膠密封圈。

1.1 唇形密封結(jié)構(gòu)密封原理

唇形結(jié)構(gòu)密封圈的工作原理：當(dāng)唇形密封圈裝入工作槽之后，其唇部被壓縮后接觸面緊密貼合實(shí)現(xiàn)初始的密封，唇部與密封面貼合的緊密程度決定了快開盲板的初始密封性能；當(dāng)進(jìn)入工作狀態(tài)后，帶壓介質(zhì)進(jìn)入唇口，唇部在壓力的作用下變形，密封件在強(qiáng)度允許范圍內(nèi)，隨著介質(zhì)壓力的不斷增加，唇形密封與密封面的貼合越緊密，密封效果越好。

圖2 NLS快開盲板簡易結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Simple structure diagram of NLS fast-opening blind

唇形密封初始密封質(zhì)量的高低決定了低壓狀態(tài)下的密封效果，隨著快開盲板使用時(shí)間的增長，密封面銹蝕、損傷等狀況使快開盲板初始密封失效，造成滲漏。

1.2 唇形密封材料

常用的橡膠密封材料有以下幾種：NBR（丁腈橡膠）、FKM（氟橡膠）、EPDM（三元乙丙橡膠）、HNBR（氫化丁腈橡膠）、Q（硅橡膠）、CR（氯丁橡膠）、ACM（丙烯酸酯橡膠）、FFKM（全氟醚橡膠）[6]，本文對各材料性能不一一贅述。

密封材料的選擇有以下兩個(gè)條件：①使用溫度，即密封材料的適用溫度范圍與工藝設(shè)備的使用溫度相匹配；②適用介質(zhì)，即密封材料適用于工藝介質(zhì)，密封材料對工藝介質(zhì)具有良好的耐受性。

烏蘭成品油管道常溫輸送，某站自然溫度為-20～50 ℃，夏季暴曬后設(shè)備本體溫度有可能達(dá)到70 ℃，輸送介質(zhì)為0#柴油和國Ⅴ汽油，推薦選用的材料為NBR與FKM。

NBR 與FKM 對烏蘭原油、成品油管道輸送油品的耐受性基本一致，F(xiàn)KM 耐原油的性能稍好于NBR 材料，且相較NBR 的溫度適用范圍更寬，在低溫適用性相差不大的情況下，高溫的適用溫度更高，因此通過綜合比選，選用FKM 材料作為烏鄯蘭原油、烏蘭成品油管道的密封應(yīng)用材料。

2 唇形密封受力分析及改進(jìn)

2.1 初始尺寸

對使用的唇形密封進(jìn)行尺寸測量，根據(jù)詳細(xì)的密封初始尺寸，對唇形密封進(jìn)行受力變形分析。詳細(xì)尺寸及配合結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 快開盲板實(shí)物密封圖Fig.3 Physical seal diagram of fast-opening blind

2.2 原結(jié)構(gòu)受力分析

橡膠是一種各項(xiàng)同性、可高度變形、高彈性和壓縮性較小的材料，橡膠密封結(jié)構(gòu)具有三重非線性，即材料非線性、幾何非線性和接觸非線性[7]。用Mooney-Rivlin 理論可以較好地描述橡膠類不可壓縮超彈性材料在大變形下的力學(xué)特性[8-9]，利用ANSYS 結(jié)構(gòu)分析軟件對密封圈在快開盲板中安裝和使用的高度非線性接觸問題進(jìn)行研究，建立模型并進(jìn)行受力分析。

由于快開盲板筒體直徑600 mm 以上，進(jìn)行受力分析時(shí)對一小段按照直線簡化受力模型，將在用唇型密封與快開盲板筒體接觸面分為A 面和B 面（圖4），使用ANSYS 軟件對唇形密封與A 面、B 面的接觸受力進(jìn)行分析。

按照快開盲板關(guān)閉完成后A 面和B 面實(shí)際位置，分析唇形密封圈由初始尺寸至A面與B面在距離縮短為實(shí)際位置時(shí)，唇形密封圈的最終受力情況。將A 面與B 面的尺寸設(shè)定為100%，當(dāng)密封圈與接觸面有受力時(shí)認(rèn)為密封圈與接觸面有效密封。按照氟橡膠力學(xué)性能進(jìn)行受力分析，邵爾A硬度為75，拉斷伸長率為156%，拉伸強(qiáng)度為7 MPa，受力分析結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，密封圈的兩個(gè)接觸面接觸長度均較小，最大接觸力不大，A 面的接觸壓力小于B面。由于密封圈與快開盲板B面為常態(tài)化接觸，快開盲板A 面為頻繁啟閉面，同時(shí)當(dāng)快開盲板內(nèi)有少量介質(zhì)殘留時(shí)，介質(zhì)首先經(jīng)最底部A 面發(fā)生泄漏，并且從快開盲板的檢修歷史來看，均為A面銹蝕及缺陷，因此密封圈與快開盲板A面需要較大的接觸力，同時(shí)需要增大A 面的接觸長度，以此減小發(fā)生泄漏的可能。

圖4 唇形密封分析圖Fig.4 Analysis chart of lip seal

2.3 密封圈優(yōu)化及受力分析

為了增強(qiáng)唇形密封在低壓狀態(tài)下的密封效果，對唇形密封進(jìn)行以下優(yōu)化：①結(jié)構(gòu)上增大密封圈與快開盲板A 面、B 面的接觸面積；②調(diào)整優(yōu)化結(jié)構(gòu)，增大密封圈與快開盲板A面的接觸力。

優(yōu)化后的密封圈與快開盲板的安裝結(jié)構(gòu)如圖6所示。改進(jìn)如下：①將原唇形密封兩側(cè)接觸位置圓形接觸改為線接觸，增大接觸長度，并將兩側(cè)密封厚度加厚；②將原唇形密封中間部位改為圓形，增大兩側(cè)的接觸力；③增大密封初始的張開角，增大安裝時(shí)的預(yù)緊力。

圖5 密封圈受力分析Fig.5 Force analysis of seal ring

圖6 優(yōu)化后的密封圈與快開盲板安裝圖Fig.6 Optimized sea ring and installation diagram of fast-opening blind

對優(yōu)化后的密封圈進(jìn)行受力分析，結(jié)果如圖7所示。對圖7 優(yōu)化結(jié)果與圖5 在用密封圈受力分析結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果見表1。

表1 密封圈優(yōu)化前后對比Tab.1 Contrast of seal ring before and after optimization

密封圈進(jìn)行優(yōu)化后獲得以下效果：①優(yōu)化后的密封圈與快開盲板A 面接觸力增加2.94 倍，接觸長度增加1 倍，有效地提高了A 面密封性；②優(yōu)化后的密封圈與快開盲板B 面接觸力雖有減小，減小39.6%，但接觸長度增加了5.65 倍，當(dāng)介質(zhì)滲入接觸面后，隨著接觸長度的減小，B 面接觸壓力將有效增加，仍可保證B 面密封性；③優(yōu)化后密封圈Von-Mises 應(yīng)力增加了93.8%，但仍小于材料的許用應(yīng)力，密封圈仍是安全可靠的。

圖7 優(yōu)化后的密封圈受力分析Fig.7 Force analysis of optimized seal ring

3 唇形密封分模線的控制

分型面是指分開模具取出制件或澆注系統(tǒng)凝料的面[10]，模具的分型面直接影響橡膠制品的外觀質(zhì)量和尺寸精度等各個(gè)方面[11]。密封圈在完成硫化工序后，由于分型面的存在，不可避免會在產(chǎn)品上留下分模線等外觀缺陷[12]。由于部分制造商對密封面的認(rèn)識不足，將分模線留在了密封圈的密封面上，造成密封圈密封面的泄漏。

目前在用密封圈的密封區(qū)域如圖8 中A 區(qū)與B區(qū)，分模線如果存在于圖A區(qū)，A區(qū)直接與筒體密封面接觸，分模線有可能造成密封圈與快開盲板筒體之間密封不良，造成滲漏；分模線如果存在于圖B 區(qū)，將會造成密封圈與快開盲板之間密封不良，造成滲漏。因此，為了確保密封面的密封性能，密封圈的制作過程應(yīng)避免將分模線出現(xiàn)在此區(qū)域，模具的分型面盡可能避開橡膠制品的工作面[13]。

采用著色法對在用的快開盲板密封圈進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，A區(qū)的靠近區(qū)域如圖9所示。

通過著色法，密封部位為線密封，接觸長度較小，與圖5中ANSYS分析結(jié)果一致。密封部位質(zhì)量的光滑對密封的影響非常大，在用密封圈的分模線錯誤地設(shè)置于A區(qū)，從著色的結(jié)果看，密封部位在分模線上，并且此處分模線并未做其他處理，表面粗糙度較高，影響了密封面貼合的質(zhì)量，一定程度上造成了快開盲板的滲漏。

圖8 密封圈分區(qū)Fig.8 Subarea of seal ring

因此在優(yōu)化后的密封圈模具設(shè)計(jì)中，密封圈模具分模線應(yīng)避免出現(xiàn)在與快開盲板接觸位置，同時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制接觸部位加工質(zhì)量，確保密封區(qū)域接觸面光滑，以提高密封面接觸質(zhì)量，防止發(fā)生密封滲漏。

圖9 密封部位著色Fig.9 Colouring of sealing parts

4 結(jié)論

（1）根據(jù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境與介質(zhì)條件，NBR、FKM均可以適用于現(xiàn)場實(shí)際，宜選用FKM作為密封材料。

（2）在用密封圈存在泄漏的密封面與快開盲板的接觸長度與接觸力均較小，需要進(jìn)行優(yōu)化。

（3）對密封圈進(jìn)行優(yōu)化后，由受力分析可知，接觸力與接觸長度的關(guān)鍵參數(shù)性能提升較為明顯。

（4）在用密封圈分模線選擇位置不當(dāng)，并且對分模線的處理存在缺陷，容易引起泄漏，優(yōu)化后的密封圈加工過程中應(yīng)避免分模線影響密封性能。