液氨裝卸鶴管密封失效與改進措施

王柱濤

（中國石油大慶石化公司化肥廠，黑龍江大慶 163714）

0 引言

為確保液氨充裝過程具有更高的安全性，采用萬向充裝管道系統(tǒng)（鶴管）替換原來的金屬軟管以充裝液氨。在實際工作中，鶴管的密封圈、卡箍式密封、旋轉(zhuǎn)接頭等重要部件的密封經(jīng)常出現(xiàn)失效現(xiàn)象。雖然相較于金屬軟管，液氨鶴管如果出現(xiàn)失效，通常不會導(dǎo)致十分嚴重的泄漏事故，但同樣可能引起中毒或是環(huán)境污染等問題。本文采取設(shè)備附件加強、拉斷閥結(jié)構(gòu)更換以及密封圈材料升級等途徑，來提升鶴管安全性，有助于低溫裝卸設(shè)備以及液氨鶴管的日常維護工作的順利開展。

1 液氨裝卸鶴管本體技術(shù)方案

立柱固定在棧橋或地面上，用于支撐鶴管，改善回轉(zhuǎn)接斗的受力狀態(tài)，延長回轉(zhuǎn)接頭的使用壽命，便于安裝。外臂與內(nèi)臂及聯(lián)接臂通過聯(lián)接管連接，為鶴管的主要部分?？梢詫崿F(xiàn)水平和垂直方向范圍的回轉(zhuǎn)。外臂可在工作范圍內(nèi)自由回轉(zhuǎn)，使裝卸臂可以輕松實現(xiàn)與罐車的對接。過流部件材料可選用304。內(nèi)臂與接口相聯(lián)接，可在水平面上回轉(zhuǎn)。與外臂通過聯(lián)接管連接。過流部件材料可選用304。液相、氣相聯(lián)接臂一端與外臂相連，另一端與罐車對接以完成裝卸作業(yè)。液相DN50/氣相DN25。過流部件材料可選用304。底部裝卸鶴管的管端部帶有干式快速接頭與罐車對接，一端整齊布置有氮氣吹掃和殘液回收管線。加裝氮氣吹掃及殘液回收管線總重小于90 kg。氣液相低溫切斷球閥帶有防誤開及防爆設(shè)計。內(nèi)臂鎖緊機構(gòu)是位于立柱及內(nèi)臂之間的一個機械機構(gòu)，可將內(nèi)臂鎖緊在該位置。這樣可以防止因大風(fēng)環(huán)境，或因非操作人員操作使鶴臂周圍建筑受損。拉斷閥使設(shè)備能夠自動、瞬間脫離；脫離后兩部分能有效密封并自動關(guān)閉，實現(xiàn)零泄漏；避免常規(guī)操作時出現(xiàn)“脫離”。閥體采用304 或更高性能材料，無縫鋼管由模具壓制而成，與以往鑄件相比，具有結(jié)構(gòu)小巧，外形美觀、重量輕、零泄漏等特點。氮氣吹掃及殘液回收管線采用Φ10 不銹鋼管，加裝單向閥和切斷球閥，材料均為304 或更高性能材料。殘液回收管線采用DN15 不銹鋼管，加裝切斷球閥，材料均為304 或更高性能材料。

2 液氨鶴管密封失效分析

2.1 旋轉(zhuǎn)接頭主密封失效原因分析

（1）旋轉(zhuǎn)接頭主密封圈主要包括內(nèi)襯膨脹圈彈片和聚四氟乙烯等，其中前者可使密封圈具有更高的彈性，達到密封補償?shù)哪康?。由于主密封和液氨介質(zhì)是直接接觸，當出現(xiàn)鶴管泄壓的情況，將產(chǎn)生冷流現(xiàn)象，引起密封圈（其材料為PTFE 聚四氟乙烯）出現(xiàn)冷縮失彈現(xiàn)象，降低密封性能。在高彈狀態(tài)下，如果主密封圈進入到冷流狀態(tài)中，則密封圈會出現(xiàn)顯著收縮。304 彈片硬度較高，密封圈發(fā)生冷縮后，彈片會出現(xiàn)翅片脆斷的現(xiàn)象，最終導(dǎo)致主密封發(fā)生失效，導(dǎo)致液氨泄漏。

（2）旋轉(zhuǎn)鶴管時，由于在旋轉(zhuǎn)接頭的滾道中，其滾球未得到充分潤滑，從而發(fā)生卡澀。如果又受到外力及部件的自重影響，會出現(xiàn)主密封圈及滾球受力不均勻的問題。在長時間運轉(zhuǎn)后，將導(dǎo)致主密封圈中發(fā)生不均勻的磨損現(xiàn)象，而又不能通過內(nèi)襯膨脹圈進行有效補償，最終該部位出現(xiàn)輕微泄漏問題。

2.2 拉斷閥失效泄漏原因分析

（1）O 形密封圈出現(xiàn)脆斷而失效的問題。拉斷閥中有3 個O形密封圈，均采用氟橡膠制作。由于該類材料的耐低溫性不高，其具有彈性極限溫度通常處于-15～-20 ℃，且具有大約-20 ℃的玻璃化溫度。當該材料處于此溫度值后，其中的分子鏈段將逐漸凍結(jié)，導(dǎo)致其逐漸硬化并且變脆，具有玻璃態(tài)的特征，不再具有橡膠材料自身的彈性特點。充裝液氨時，如果鶴管出現(xiàn)泄壓現(xiàn)象，則液氨將立即發(fā)生氣化，從而引起鶴管的內(nèi)壁迅速降溫到-20～-30 ℃。氟橡膠材料也從之前的高彈狀態(tài)馬上失去彈性，如果受到介質(zhì)壓力的外在影響，O 形圈將會發(fā)生脆斷。由此，不符合低溫工作方面的相關(guān)要求。

（2）拉斷螺桿發(fā)生斷裂，導(dǎo)致密封失效問題。DN50 mm 規(guī)格的拉斷閥拉斷強度應(yīng)力為13 kN，如是DN25 mm 規(guī)格，則該值等于4.8 kN。應(yīng)基于純軸向張力來計算拉斷閥最大拉力強度原則，即在三顆拉斷螺桿之上均分管線所收張力。通常而言，在拉斷閥上承受的是斜向張力，增加斜拉角的值，將會逐漸在1～2個拉斷螺桿之上集中張力負荷，則在較小的閾值下，拉斷閥將會斷裂。斜線張力與真正的工況條件較為接近，裝車時拉斷閥始終承受某個方向的斜向張力作用，這個張力主要是由拉斷閥內(nèi)側(cè)鶴臂拉簧拉力和其自身重量引起，使得一顆螺桿存在集中承受外力的現(xiàn)象。導(dǎo)致一顆拉斷螺栓延伸預(yù)緊力不足，則會引起泄漏。由于DN25 mm 規(guī)格的拉斷閥具有相對較小的拉斷強度，因此在安裝鶴管和進行充裝操作時，斜向張力會超過單一螺桿上的閾值，最終引起螺桿斷裂。

（3）卡箍出現(xiàn)密封失效的問題。如果卡箍連接方式存在缺陷，則有可能對卡箍密封的安全性造成巨大影響。首先，如果采用過松的卡箍裝配，則會使連接部位未受到完全約束，在一定的外界擾動作用下會出現(xiàn)位移現(xiàn)象，顯著影響密封效果。其次，如果采用過緊的卡箍裝配，則會導(dǎo)致密封圈長期處在受壓狀態(tài)中，當其服役時間延長或增加壓縮率，由于橡膠材料出現(xiàn)應(yīng)力松弛現(xiàn)象，由此顯著降低應(yīng)力，使得密封性受到較大影響。而且，如果卡箍周邊沒有設(shè)置吊架或者支撐，則在其密封的部位上無法承受較高徑向作用力，因此，非常有必要安裝吊架或是支撐。否則，裝車時卡箍密封的相關(guān)位置會受到彎矩及扭力作用，則密封圈受到一定的擠壓而導(dǎo)致咬傷，最終影響其密封性能。

2.3 快速接頭O 形圈密封失效

（1）出現(xiàn)扭曲損壞的問題。在將槽車和快速接頭進行相互對接的過程中，O 形圈會沿著其周向而逐漸扭轉(zhuǎn)滾動，最終導(dǎo)致扭曲及泄漏問題。

（2）出現(xiàn)磨粒磨損行為。正常工作時，往往有沙粒及灰塵等細小顆粒粘到密封間隙的外表面區(qū)域上，對此處產(chǎn)生磨粒磨損作用，從而影響其密封性。

3 改進措施

3.1 旋轉(zhuǎn)接頭改進措施

（1）在進行液氨裝車時，需要保證操作平穩(wěn)，避免泄漏的液氨發(fā)生汽化在鶴管外表面區(qū)域結(jié)霜，從而有效規(guī)避主密封圈失去彈性，取得良好密封效果。

（2）采用316L 不銹鋼彈片替換304 不銹鋼彈片，使得彈片的硬度相應(yīng)降低，除了符合密封圈彈性方面要求外，也明顯降低主密封彈片發(fā)生脆斷現(xiàn)象的概率。

（3）定期且合理地潤滑旋轉(zhuǎn)接頭滾道滾球，有效避免出現(xiàn)卡澀現(xiàn)象，降低主密封面發(fā)生磨損的程度。為此，需要結(jié)合使用鶴管的實際頻次，每隔1～3 月，在旋轉(zhuǎn)接頭中添加潤滑脂。

3.2 拉斷閥密封改進措施

（1）以三元乙丙橡膠材料制備O 形密封圈。主要是由于該類材料的低溫性能及耐氨性都較為優(yōu)異，具有大約-60 ℃的玻璃化溫度，能夠符合低溫環(huán)境下工作的相關(guān)要求，盡可能降低裝車時密封圈發(fā)生脆斷的概率。

（2）氣相鶴管DN25 mm。由于拉斷閥具有相對較低的拉斷強度，因此進行充裝時其會承受斜向張力，引起拉斷螺桿發(fā)生斷裂。由于不能有效消除拉斷閥上的斜向張力，可采用大規(guī)格的拉斷閥（例如DN50 mm），從而增強其抗拉斷性能，使其具有更好的安全性。對于氣相鶴管，可采用DN50 mm 規(guī)格的氣相鶴臂，DN25 mm 規(guī)格的氣相鶴臂，DN25 mm/DN50 mm 規(guī)格的異徑接頭，DN50 mm 規(guī)格的拉斷閥以及旋轉(zhuǎn)接頭等。

（3）在安裝卡箍密封結(jié)構(gòu)過程中，卡箍螺栓上的預(yù)緊力以及安裝位置的同心度均不容易有效控制。由于未在卡箍周圍設(shè)置固定的支撐，因此其密封部位存在徑向力，影響其密封效果。為此，應(yīng)該采用螺紋連接拉斷閥，此外選擇螺紋+靜密封圈密封的形式，顯著地增加其安全可靠性。

3.3 快速接頭O 形圈整改措施

（1）對于密封間隙，應(yīng)使用具有合適硬度值的密封材料來有效控制。由于O 形圈具有HS（60～90）的硬度值，低壓時會采用低硬度材料，高壓情況則選擇硬度較高的材料。此外，在安裝過程中，需潤滑接頭以及密封的部位，避免出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)損傷的現(xiàn)象。

（2）裝車過程結(jié)束后，需蓋好接頭上的防塵蓋，避免顆粒進入。

4 總結(jié)

在深入分析液氨裝卸鶴管密封部位出現(xiàn)失效問題基礎(chǔ)上，提出合理改進措施，促進鶴管裝車過程具有更高的安全可靠性，有效避免密封部位出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象，有助于促進低溫裝卸設(shè)備和液氨裝卸鶴管的日常保養(yǎng)，實用效果良好。