高溫導(dǎo)熱油旋轉(zhuǎn)接頭應(yīng)用中的事故分析和預(yù)防措施

朱 斌，廖長洋，林曉平，陳杰峰，林建華，鄭華婷，嚴(yán)巧珠

高溫導(dǎo)熱油旋轉(zhuǎn)接頭應(yīng)用中的事故分析和預(yù)防措施

朱 斌，廖長洋，林曉平，陳杰峰，林建華，鄭華婷，嚴(yán)巧珠

（福建省閩旋科技股份有限公司，福建泉州 362333）

介紹了高溫導(dǎo)熱油旋轉(zhuǎn)接頭在皮革生產(chǎn)設(shè)備管道密封中因失效而發(fā)生火災(zāi)、爆炸及人員傷亡等事故的情況，并從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計、配對密封材料及產(chǎn)品加工和應(yīng)用等方面對旋轉(zhuǎn)接頭的失效進行了技術(shù)分析，針對分析結(jié)果，提出了解決和預(yù)防措施。

旋轉(zhuǎn)接頭；事故分析；預(yù)防措施

旋轉(zhuǎn)接頭是將流體介質(zhì)由固定管道輸送到旋轉(zhuǎn)或擺轉(zhuǎn)一個角度的管道、設(shè)備中的流體動密封裝置［1，2］。國內(nèi)生產(chǎn)旋轉(zhuǎn)接頭的廠家很多，同種型號、同種規(guī)格的旋轉(zhuǎn)接頭會出現(xiàn)很大的價格差，在眾多的旋轉(zhuǎn)接頭產(chǎn)品中偶爾會出現(xiàn)密封泄漏問題。據(jù)2014年國家質(zhì)監(jiān)總局發(fā)布：2014年壓力管道事故共發(fā)生12起。事故發(fā)生原因主要是管道系統(tǒng)中選用的旋轉(zhuǎn)接頭出現(xiàn)問題（產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計、密封材料選用、產(chǎn)品加工、安裝、使用及保養(yǎng)等），因此為減少或杜絕事故的發(fā)生，對旋轉(zhuǎn)接頭應(yīng)用中的安全隱患進行分析并提出預(yù)防措施極其重要。

2 事故案例

2013年某皮革企業(yè)因設(shè)備管道用高溫導(dǎo)熱油旋轉(zhuǎn)接頭密封失效發(fā)生火災(zāi)，給企業(yè)造成重大損失，經(jīng)過對事故的調(diào)查得知，設(shè)備管道內(nèi)工作壓力為 0.7MPa，載體溫度為 260℃以上，在運行過程中旋轉(zhuǎn)接頭密封部位受損導(dǎo)致高溫導(dǎo)熱油泄漏，而在旋轉(zhuǎn)接頭承接位置的上方剛好是正在運行的一整排電熱管，高溫導(dǎo)熱油滴濺到電熱管上造成起火和爆炸。

3 高溫導(dǎo)熱油旋轉(zhuǎn)接頭應(yīng)用案例的失效分析

導(dǎo)熱油旋轉(zhuǎn)接頭的性能和使用壽命是多方要素共同作用的結(jié)合體，發(fā)生火災(zāi)的潛在危險來源范圍廣，針對事故案例介紹的情況，從所用失效高溫導(dǎo)熱油的結(jié)構(gòu)設(shè)計、密封材料的選用及質(zhì)量、產(chǎn)品加工及連接方式等諸多方面進行技術(shù)分析。

3.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

高溫導(dǎo)熱油旋轉(zhuǎn)接頭的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，高溫導(dǎo)熱油旋轉(zhuǎn)接頭常見的密封結(jié)構(gòu)形式主要有平面密封、球面密封2種［3，4］。事故案例中的旋轉(zhuǎn)接頭采用的是球面密封結(jié)構(gòu)，即通過球面（凹凸球）相互擠壓接觸面來實現(xiàn)密封，這種形式旋轉(zhuǎn)接頭的優(yōu)點是可自動調(diào)節(jié)密封，對設(shè)備的同心度要求較低，采用雙無油軸承，免維護設(shè)計；缺點是摩擦阻力相對較大，轉(zhuǎn)速較低，其補償方式是通過彈簧推動殼體沿軸向后位移進行磨損補償，擺動空間較大。球面密封的旋轉(zhuǎn)接頭容易造成旋轉(zhuǎn)軸密封面刮傷，溫度驟升驟降，從而使彈簧疲軟或密封部件熱變形、支撐環(huán)或?qū)颦h(huán)卡死、主密封件密封滲漏、進出口軟管連接處易使殼體的軸向位移受限，導(dǎo)致殼體累積公差造成偏擺引起泄漏等現(xiàn)象。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計的旋轉(zhuǎn)接頭也是常見的一種。

圖1 高溫導(dǎo)熱油旋轉(zhuǎn)接頭基本結(jié)構(gòu)示意

3.2 密封配對及選材的分析

主密封是旋轉(zhuǎn)接頭的關(guān)鍵部件，密封材料的選型和配對直接影響旋轉(zhuǎn)接頭的質(zhì)量。目前國內(nèi)旋轉(zhuǎn)接頭密封環(huán)普遍采用碳石墨材質(zhì)，由軟質(zhì)的碳石墨密封環(huán)與硬質(zhì)的金屬結(jié)構(gòu)相配對，金屬表面的硬度應(yīng)控制在合理的范圍之內(nèi)，高質(zhì)量的碳石墨環(huán)與金屬表面的對磨使用效果更好。當(dāng)然，依據(jù)不同的使用工況，許多廠家也會選用硬質(zhì)合金、碳化硅、氮化硅、氧化鋁、銅合金及填充聚四氟乙烯等作為密封環(huán)材料，同時，材料的選用要適用于相對應(yīng)的工作介質(zhì)，有耐酸耐堿要求的應(yīng)進行表面抗腐蝕工藝處理，有高溫要求的應(yīng)選用耐高溫材質(zhì)。

以常見的碳石墨密封環(huán)為例，圖2給出了2種碳石墨密封環(huán)被損壞的現(xiàn)象，圖2（a）中密封環(huán)R面被腐蝕磨損嚴(yán)重，圖2（b）中由于介質(zhì)中含有的雜質(zhì)或金屬元素長期狀態(tài)下滲入密封環(huán)，從而產(chǎn)生刮傷和銹蝕現(xiàn)象。眾所周知，碳石墨密封環(huán)的好壞決定了旋轉(zhuǎn)接頭的使用壽命，但是碳石墨的加工應(yīng)用普遍存在碳石墨基材粒徑粗糙、氣孔率高且分布不均勻及不合格率較高，有的抗折、抗壓強度達(dá)不到技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的力學(xué)性能要求，有的摩擦系數(shù)較高，硬度穩(wěn)定性差，使用壽命波動性較大，當(dāng)石墨環(huán)一旦超過允許使用溫度時，其表面會析出樹脂，摩擦面附近樹脂會發(fā)生碳化，使密封面泄漏量增加，造成密封失效。即使是選用進口的碳石墨產(chǎn)品，有時也存在不同程度的上述問題，所以在高溫導(dǎo)熱油旋轉(zhuǎn)接頭的應(yīng)用中，碳石墨環(huán)的質(zhì)量應(yīng)引起高度重視。

圖2 碳石墨密封環(huán)失效形式

輔助密封圈往往選用氟橡膠、丁晴橡膠和全氟醚橡膠等材質(zhì)，介質(zhì)從軸套間隙中流出、密封圈屈服變形、化學(xué)腐蝕、破裂、粘著、硬化及老化等都是輔助密封圈常見的癥狀［5］。因此，高溫導(dǎo)熱油旋轉(zhuǎn)密封圈材料的選用必須與其對應(yīng)的工況相適應(yīng)。

事故案例中，高溫導(dǎo)熱油旋轉(zhuǎn)接頭工作時的溫度為260℃，最高可達(dá)330℃，當(dāng)在高溫又承受壓力的情況下，高溫導(dǎo)熱油旋轉(zhuǎn)接頭的機械強度性能急劇下降，密封部位彈性變形較大使其過早失效。在密封處或連接口處應(yīng)力集中的部位，如果質(zhì)量不可靠也會出現(xiàn)縫隙造成高溫導(dǎo)熱油的泄漏。同時，高溫導(dǎo)熱油具有易燃燒、易泄漏的特性［6～10］，一旦高溫導(dǎo)熱油泄漏，就容易引起重大安全事故。

3.3 產(chǎn)品加工及連接方式的分析

高溫導(dǎo)熱油旋轉(zhuǎn)接頭零部件加工及配合公差要在合理的誤差范圍之內(nèi)，例如高溫導(dǎo)熱油旋轉(zhuǎn)接頭旋轉(zhuǎn)軸兩端無油軸承部位容易出現(xiàn)磨損，內(nèi)管與殼體尾部連接處運轉(zhuǎn)時擺動量加大，內(nèi)管與旋轉(zhuǎn)軸內(nèi)壁在運轉(zhuǎn)中碰壁，最終導(dǎo)致密封失效。

高溫導(dǎo)熱油旋轉(zhuǎn)接頭外管通常主要有螺紋連接和法蘭連接2種形式，螺紋連接的旋轉(zhuǎn)接頭螺距加工不對應(yīng)，螺紋牙磕碰、破損等都會使旋轉(zhuǎn)軸與用戶設(shè)備的連接處的密封受到影響。法蘭連接的旋轉(zhuǎn)接頭具有較好的強度和緊密性，應(yīng)用廣泛，但剛性較差，法蘭受力后，法蘭盤的截面會發(fā)生微小轉(zhuǎn)動，附著的彎曲應(yīng)力容易使連接處或管壁發(fā)生彎曲變形，焊接法蘭容易產(chǎn)生較大的焊接變形和殘余應(yīng)力，從而影響旋轉(zhuǎn)接頭的承載能力、加工和使用穩(wěn)定性，焊接質(zhì)量低劣，焊縫不牢固會導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)接頭疲勞斷裂，造成旋轉(zhuǎn)接頭使用壽命下降。

綜合以上分析可知，高溫導(dǎo)熱油旋轉(zhuǎn)接頭密封面被刮傷和磨損是造成事故發(fā)生的主要原因。如圖3所示，旋轉(zhuǎn)軸中間半球體的球面與密封環(huán)的R面是關(guān)鍵的密封部位，在旋轉(zhuǎn)運行過程中，由于介質(zhì)中含有硬質(zhì)顆粒物雜質(zhì)導(dǎo)致密封面被刮傷和磨損，從而影響了旋轉(zhuǎn)接頭的正常使用，造成高溫導(dǎo)熱油的泄漏，最終導(dǎo)致案例事故的發(fā)生。

圖3 旋轉(zhuǎn)接頭密封失效示意

4 建議及展望

4.1 旋轉(zhuǎn)接頭產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計及密封配對應(yīng)設(shè)計合理

無論是采用平面密封、球面密封的高溫導(dǎo)熱油旋轉(zhuǎn)接頭，在密封結(jié)構(gòu)設(shè)計上要從機理上分析，確保密封元件匹配效能的最大化。設(shè)計人員也應(yīng)加強試驗的反復(fù)驗證，多深入市場考察，更好的將理論設(shè)計與客戶工況結(jié)合起來，避免出現(xiàn)因工況不適應(yīng)、配對或選型錯誤造成的旋轉(zhuǎn)接頭泄漏、超負(fù)荷損壞等現(xiàn)象。

4.2 加強從產(chǎn)品加工、檢測等方面的質(zhì)量把關(guān)

據(jù)了解，國內(nèi)旋轉(zhuǎn)接頭生產(chǎn)企業(yè)，有部分企業(yè)在經(jīng)營過程中完全依賴外購件進行組裝銷售，這就完全失去了對旋轉(zhuǎn)接頭內(nèi)部核心件及關(guān)鍵部位的管控，還有一些企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備、檢測設(shè)備落后，達(dá)不到旋轉(zhuǎn)接頭同軸度、平面度、輪廓度和表面粗糙度的要求。

當(dāng)然，從企業(yè)利益出發(fā)，降低成本提高利潤毋庸置疑，但是制造商在生產(chǎn)制造過程中要加強工藝和設(shè)計控制，提高產(chǎn)品加工精度，加強質(zhì)量檢驗，提高產(chǎn)品品質(zhì)。

4.3 正確安裝、使用方法建議

安裝之前檢查旋轉(zhuǎn)接頭及相關(guān)連接件是否滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，重點核實軸管旋向、口徑以及法蘭等部位，安裝時金屬軟管應(yīng)有足夠的運動空間，防止空間受限使旋轉(zhuǎn)接頭殼體位移受到了限制，殼體累積公差造成旋轉(zhuǎn)接頭的偏擺，導(dǎo)致彈力無法得到有效補償從而產(chǎn)生泄漏。

旋轉(zhuǎn)接頭的使用和維護應(yīng)及時，防止連接件松動和不正常的磨損，操作者應(yīng)按使用規(guī)程使用，防止旋轉(zhuǎn)接頭泄漏事故的發(fā)生。日常維護應(yīng)保持旋轉(zhuǎn)接頭輥筒及管道內(nèi)部的清潔，對于新設(shè)備必要時需加過濾器，以避免異物對旋轉(zhuǎn)接頭密封件造成的異常磨損；注意避免流通熱體介質(zhì)的旋轉(zhuǎn)接頭溫度急變，還應(yīng)注意避免旋轉(zhuǎn)接頭空運轉(zhuǎn)現(xiàn)象［11～13］。

4.4 加強用戶使用安全意識和安全監(jiān)督力度

加強安全監(jiān)督方面的工作力度，定期開展相應(yīng)的安全操作規(guī)程教育和培訓(xùn)。

［1］JB/T8725-2013，中華人民共和國機械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)-旋轉(zhuǎn)接頭［S］.

［2］張家鑫旋轉(zhuǎn)接頭［M］.北京：中國輕工業(yè)出版社，1989.

［3］楊勇，游浩浩.旋轉(zhuǎn)接頭的安裝使用和故障分析［C］.第五屆全國流體密封學(xué)術(shù)會議論文集，2011.

［4］朱斌，朱路，林建華，等.機械密封用碳石墨環(huán)現(xiàn)狀與展望［J］.流體機械，2012，40（3）：40-43.

［5］吳曉元，，陳忠基，徐廣普，等.旋轉(zhuǎn)接頭的密封失效形式及防治方法研究［J］.冶金設(shè)備，1997（3）：18-23.

［6］鄭于賢.導(dǎo)熱油鍋爐管道潛在的安全隱患及預(yù)防措施［J］.機電技術(shù)，2011（3）：140-141.

［7］王曉靜，馬東云，李文艷，等.多晶硅CVD反應(yīng)器中新型熱管的開發(fā)與仿真［J］.壓力容器，2016，33（8）：13-19.

［8］王峰，宮建國，惠虎.含預(yù)拉伸工藝換熱器的管板結(jié)構(gòu)的有限元分析［J］.壓力容器，2016，33（9）：28-33.

［9］張起僑.過渡段結(jié)構(gòu)對廢熱鍋爐薄管板應(yīng)力分布的影響［J］.壓力容器，2016，33（8）：41-48.

［10］王憲軍，李書瑞，胡因洪.鍋爐及壓力容器用12Cr1MoVR鋼板的焊接接頭性能研究［J］.壓力容器，2016，33（10）：9-15.

［11］朱斌，朱路，汪玉杰，等.新型旋轉(zhuǎn)接頭的結(jié)構(gòu)性能及應(yīng)用研究［J］.液壓氣動與密封，2014（5）：65-68.

［12］朱斌，林曉平，賴曉榮，等.旋轉(zhuǎn)接頭在包裝與食品機械中應(yīng)用的技術(shù)特點［J］.包裝與食品機械，2015,33（5）.59-62.

［13］朱斌，朱路，林建華，等.旋轉(zhuǎn)接頭的選型、安裝及維護［J］.中國科技信息，2011（23）.60-61.

Accident Analysis and Preventive Measures in the Application of Hot Oil Rotary Joints

ZHU Bin，LIAO Chang-yang，LIN Xiao-ping，CHEN Jie-feng，LIN Jian-hua，ZHENG Hua-ting，
YAN Qiao-zhu
（Fujian Minxuan Technology Co.，Ltd.，Quanzhou 362333，China）

This article describes high temperature hot oil rotary joint in the leather production equipment pipeline，because of sealing failure，fire，explosion and casualties and other accidents.For the failure of rotating joint，the technical analysis of product structure design，matching sealing material，product processing and application is carried out，and the solutions and pr eventive measures are put forward according to the analysis results.

rotary joint；accident analysis；preventive measures

TH137

A

10.3969/j.issn.1005-0329.2017.11.011

1005-0329（2017）11-0058-03

2016-11-07

2017-07-06

朱斌（1968-），男，高級工程師，主要從事旋轉(zhuǎn)接頭和相關(guān)機械密封的研發(fā)制造及標(biāo)準(zhǔn)化，通訊地址：362333福建南安市豐州鎮(zhèn)桃源工業(yè)區(qū)蓮花路1100號，E-m ail：345590670@qq.com。