一起快開盲板C形密封圈泄漏事件的原因探討

羅 凡 陳偉忠

（1.上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 上海 200062）

（2.江蘇盛偉過濾設(shè)備有限公司 常州 213011）

1 事件概況

2016年10月，石油長(zhǎng)輸管道某分輸站發(fā)生一起過濾分離器快開盲板C形密封圈（簡(jiǎn)稱“密封圈”）處出現(xiàn)天然氣泄漏事件。當(dāng)時(shí)值班人員在站控室內(nèi)聽到有天然氣泄漏聲音后，即到現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)為該過濾分離器發(fā)生泄漏。經(jīng)過一系列緊急處理后，打開過濾分離器發(fā)現(xiàn)快開盲板密封圈沿密封圈中間部位貫穿開裂，開裂長(zhǎng)度約占總周長(zhǎng)的1/4。據(jù)介紹，發(fā)生破裂的密封圈剛換上僅僅17個(gè)工作日。在此期間，過濾器最高工作壓力為8.61MPa，工作壓力無異常。天然氣進(jìn)站溫度穩(wěn)定，在22～25℃之間波動(dòng)，水露點(diǎn)情況穩(wěn)定，在-3.1～-12.6℃之間波動(dòng)。密封圈的工作壓力、工作介質(zhì)和工作溫度均在密封圈的正常工作范圍內(nèi)。雖然此事件因發(fā)現(xiàn)處理及時(shí)，未產(chǎn)生嚴(yán)重的后果，但調(diào)查分析結(jié)果所暴露出的密封圈質(zhì)量問題必須引起充分的重視，在壓力容器本體質(zhì)量穩(wěn)定提高的同時(shí)，進(jìn)一步提高諸如密封圈等壓力容器附件的質(zhì)量刻不容緩。

2 密封圈檢測(cè)分析情況

2.1 密封圈外觀情況

觀察密封圈外觀見圖1。發(fā)現(xiàn)不論是已使用破損的還是庫存未用的，表面均存在鼓包，尤其是撕裂的表面附近，不僅有較為密集的鼓包，同時(shí)還有爆裂的痕跡。

密封圈鋼圈存在運(yùn)行狀況中脫離基體的情況。與進(jìn)口同類密封圈比較，密封圈鋼圈未能通過硫化固定在密封圈的端面密封結(jié)合面上，密封圈上缺少小的平壓孔。

圖1 失效密封圈局部

2.2 密封圈斷面情況

圖2是密封圈的斷面，從密封圈橫截面上可以看到明顯的缺陷，依據(jù)其大小基本可以判定是材料分層。且其兩端尖銳，易向兩側(cè)擴(kuò)展。

圖2 密封圈斷面缺陷圖

2.3 密封圈材料分析

取樣進(jìn)行橡膠材料檢測(cè)分析，進(jìn)行了內(nèi)容包括外觀、邵爾A硬度、拉伸強(qiáng)度、拉伸延長(zhǎng)率、壓縮永久變形、密度、撕裂強(qiáng)度等項(xiàng)目的檢測(cè)分析。密封圈材料定性為氟橡膠，樣件的邵爾A硬度、拉伸強(qiáng)度(4型)、拉伸延長(zhǎng)率、壓縮永久變形符合標(biāo)準(zhǔn)要求。密度指標(biāo)與同等硬度和拉伸強(qiáng)度、延伸率指標(biāo)的材料相比存在偏大的現(xiàn)象，撕裂強(qiáng)度基本一致。見表1。

表1 檢測(cè)結(jié)果匯總表

2.4 密封圈有限元分析

鑒于筆者之前與北京化工大學(xué)在基于ABAQUS的C形橡膠圈密封性能研究上的充分協(xié)作，他們套用現(xiàn)成的C形密封圈有限元模型，按照其原有的假設(shè)和判據(jù)[1]，對(duì)本次事件所用的密封圈進(jìn)行有限元分析。即利用ABAQUS建立了軸對(duì)稱有限元分析模型，模型中橡膠截面采用CAX4H雜交單元，進(jìn)階算法劃分網(wǎng)格，鋼圈模型采用CAX4單元，中性軸算法劃分網(wǎng)格，門蓋以及法蘭則采用解析剛體模型。C形橡膠圈與周圍的切向接觸采用罰函數(shù)，摩擦系數(shù)取0.3（考慮接觸面有潤(rùn)滑），法向接觸采用硬接觸控制，允許接觸后分離。C形橡膠圈內(nèi)的鋼圈彈性模量取210GPa，泊松比取0.3。工作壓力為8.6MPa。有限元計(jì)算結(jié)果密封圈的應(yīng)力水平遠(yuǎn)低于材料強(qiáng)度指標(biāo)。

圖3 密封圈工作壓力下的應(yīng)力分布

3 密封圈泄漏原因分析

3.1 密封圈的內(nèi)部缺陷擴(kuò)展導(dǎo)致密封圈破裂

圖4是密封圈的截面受力情況圖。

圖4 密封圈的截面受力情況圖

符號(hào)說明：

pw：容器內(nèi)工作壓力（最高工作壓力為8.6MPa）

p0：容器外大氣壓（即表壓0MPa）

pw′：密封圈內(nèi)缺陷處積累的氣體壓力（pw′=pw-Δp；Δp為滲透壓差，它與圖示B處的壁厚有關(guān)，壁厚越厚其值越大，反之越??；當(dāng)B處壁厚較薄時(shí)pw′的值將接近pw）。

在過濾器內(nèi)壓pw的作用下，密封圈的2個(gè)唇口貼緊密封面C和密封面D，密封圈B點(diǎn)處被拉伸，高壓氣體逐步向缺陷內(nèi)滲透，使pw′逐漸升高并達(dá)到其能夠達(dá)到的最大值。密封圈缺陷A處的尖銳邊緣在pw′的作用下逐步向外擴(kuò)展直至貫穿。當(dāng)A處貫穿，pw′得到泄放而等于p0，密封圈貫穿破裂就是必然的結(jié)果。與此同時(shí)，逐步擴(kuò)展過程也在周長(zhǎng)方向進(jìn)行，由于整個(gè)密封圈內(nèi)部缺陷眾多，這些缺陷的擴(kuò)展最后連在一起，在開裂長(zhǎng)度約占總周長(zhǎng)的1/4時(shí)被發(fā)現(xiàn)。

3.2 密封圈制作質(zhì)量低劣引發(fā)內(nèi)部缺陷

前已述及，通過對(duì)不論是已使用破損的還是庫存未用的密封圈表面都密布鼓包且鼓包體積較大的現(xiàn)象分析，鼓包形成的原因應(yīng)該是未按規(guī)定的工藝制作所形成的內(nèi)部缺陷。而密封圈內(nèi)部出現(xiàn)諸如圖2所示的如此之大的分層缺陷，通常都是缺陷部位膠料填充不足（膠料在模具內(nèi)是逐層多段堆放），或是橡膠原料受到污染，污染物混雜其間，這樣就在密封圈成形時(shí)形成分層狀缺陷，加上硫化溫度、硫化壓力等不到位或不均勻會(huì)造成沿圓周方向各段性能存在差異。尤其是氟橡膠，一次定型硫化過程中產(chǎn)生了大量的低分子揮發(fā)物和未反應(yīng)交聯(lián)基團(tuán)，若不進(jìn)行二次硫化，就無法去除低分子揮發(fā)物、水、氟化物和硫化劑中的雜碎物[2]，則硫化后形成鼓包狀缺陷必然無疑。破裂密封圈硫化不充分也可透過其鋼圈未能很好與橡膠基體緊密結(jié)合的現(xiàn)象窺得一斑。

由于密封圈沿周長(zhǎng)方向質(zhì)量不均，在破裂的1/4弧長(zhǎng)范圍內(nèi)，其鼓包情況比較嚴(yán)重，而剩余部位則相對(duì)好一些，則可得到為什么本體取樣后獲得的各項(xiàng)材料數(shù)據(jù)均合格的解釋。因?yàn)楸倔w取樣必然會(huì)在相對(duì)完整的部位截取，否則取不出符合試樣尺寸的試樣，也就是說，破損密封圈的橡膠材料是合乎要求的，若能按規(guī)范的操作工藝生產(chǎn)，是可以生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品的，這樣的破損泄漏是完全可以避免的。

3.3 密封圈硬度降低不會(huì)影響其承壓能力

密封圈橡膠的硬度指標(biāo)是密封圈重要的質(zhì)量指標(biāo)之一，且和橡膠的拉伸強(qiáng)度有關(guān)聯(lián)。硬度降低會(huì)導(dǎo)致密封圈在高壓下的抗擠出能力變?nèi)?。但該型式密封圈的抗擠出能力是由其中的鋼圈來承擔(dān)的，且實(shí)際使用中并未出現(xiàn)擠出現(xiàn)象。隨著硬度的降低，抗拉伸能力也會(huì)降低、延長(zhǎng)率加大。但快開盲板密封圈設(shè)置在快開盲板上的密封槽內(nèi)，受四周鋼材腔體的限制，其膨脹（或延長(zhǎng)）的空間幾乎沒有，限制了橡膠的拉伸應(yīng)力和延長(zhǎng)率。通過密封圈有限元仿真計(jì)算可知，整個(gè)密封圈只有極小區(qū)域的局部應(yīng)力較大，而絕大部分的應(yīng)力水平都是遠(yuǎn)低于材料的拉伸強(qiáng)度。產(chǎn)生破裂的當(dāng)中部位的應(yīng)力水平，在密封圈無大量缺陷的情況下，這樣的應(yīng)力水平不會(huì)造成密封圈的撕裂。因此只要密封圈的材料與制作質(zhì)量保證的話，快開盲板密封圈的硬度與抗拉伸2項(xiàng)指標(biāo)略低的話，不會(huì)造成密封圈破裂。

還需指出的是，此次失效密封圈的制造標(biāo)準(zhǔn)《VD型橡膠密封圈》是動(dòng)密封標(biāo)準(zhǔn)，而快開盲板的密封圈是靜密封用途，二者不僅在結(jié)構(gòu)和尺寸不同，而且在要求上也不一樣，無法替代。

4 結(jié)束語

通過上述分析可知，本次快開盲板密封圈泄漏事件的原因?qū)嵸|(zhì)是密封圈制作質(zhì)量低劣，其內(nèi)部缺陷在使用中擴(kuò)展導(dǎo)致破裂后造成密封圈泄漏。

壓力容器是生產(chǎn)和生活中廣泛使用的、有爆炸危險(xiǎn)的承壓設(shè)備，對(duì)人身和財(cái)產(chǎn)安全有較大的危險(xiǎn)性。密封圈作為壓力容器的配件與壓力容器本體及其他部件相比較，其本身價(jià)值有限。但密封圈是壓力容器用快開盲板抵抗內(nèi)部載荷的作用并保證密封性的關(guān)鍵部件之一，一旦密封圈失效，造成的后果與損失同樣是巨大的。尤其是快開門式壓力容器的密封圈使用一段時(shí)間后要進(jìn)行更換，這就要求在快開盲板的設(shè)計(jì)、制造和使用管理等環(huán)節(jié)，都必須重視密封圈的質(zhì)量，才能確保使用安全。本著做到在建造階段保障產(chǎn)品的本質(zhì)安全，在使用階段保障產(chǎn)品的使用風(fēng)險(xiǎn)可控原則，建議在國家壓力容器的法規(guī)及相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)今后使用中需由業(yè)主自行更換諸如密封圈等配件的，須在壓力容器出廠文件中增加注明所用材料、制作標(biāo)準(zhǔn)和使用環(huán)境等內(nèi)容的要求，使業(yè)主在驗(yàn)收設(shè)備時(shí)有規(guī)可依，今后自行采購配件時(shí)有據(jù)可循，從而確?？扉_盲板等壓力容器設(shè)備在全壽命周期中的安全使用。

參考文獻(xiàn)

[1]石瑩，陳平，周淑敏．高壓大型天然氣快開盲板用C形橡膠圈密封性能分析[J]．潤(rùn)滑與密封，2015，40(05)：89-93．

[2]司徒琛，趙軼華．二段硫化條件對(duì)氟橡膠力學(xué)性能的影響[J]．世界橡膠工業(yè)，2008(01)：7-10．