淺析原料氣過濾分離器快開盲板唇形圈失效原因

林萬洲，岳云 ，羅繼雄，張金鐘

（1. 中國石油西南油氣田分公司，成都 610000；2. 中國石油集團工程建設(shè)公司西南分公司，中國石油集團石油管重點實驗室，成都 610000）

某高含硫氣田集氣站對原料天然氣（以下簡稱原料氣）采用三級分離、過濾，第一級分離設(shè)備為氣液分離器，通過重力沉降和絲網(wǎng)除沫器，初步分離原料氣中的游離水及固體雜質(zhì)；第二級為臥式濾芯式過濾分離器，用于除去原料氣中1 μm 以上的雜質(zhì)和液滴；在TEG 脫水裝置設(shè)置有立式濾芯式過濾分離器，為第三級分離設(shè)備，用于除去原料氣中0.3 μm 以上的雜質(zhì)和液滴。該站原料氣氣質(zhì)組分見表1。

表1 原料氣組分表Table 1 Fuel gas components %

2019 年9 月至2020 年1 月，該站第三級過濾器快開盲板多次出現(xiàn)泄漏，造成大量原料氣外泄，迫使裝置臨停，緊急更換快開盲板密封圈后方才復(fù)產(chǎn)。通過對拆卸下的密封圈檢查，發(fā)現(xiàn)其表面存在大面積、密集的鼓包，骨架彈簧從橡膠基體上脫落，唇形圈一處位置已徹底開裂、貫穿，骨架彈簧也從此處斷裂，經(jīng)查維保記錄，該唇形圈的使用時間不超過3 個月。

1 設(shè)備簡介

脫水單元原料氣過濾分離器為立式設(shè)備，工作壓力8.0 MPa，工作溫度47 ℃，共設(shè)20 組過濾精度0.3 μm 的濾芯。原料氣從設(shè)備下方原料氣進口進入過濾器，并進入濾芯內(nèi)側(cè)，經(jīng)過濾后，由濾芯表面逸出，經(jīng)原料氣出口進入TEG 脫水裝置。過濾器頂部設(shè)有快開盲板，便于日常更換濾芯時快速打開和關(guān)閉設(shè)備。

快開盲板規(guī)格為DN900 CL600，屬于漲環(huán)式快開盲板，美國某公司制造。它主要由筒體法蘭、盲板蓋、漲環(huán)、啟閉機構(gòu)和密封圈等零部件組成，盲板密封圈采用自緊式唇形密封圈（圖1），氫化丁腈橡膠（HNBR）材質(zhì)。其密封原理為：唇形圈嵌入密封槽內(nèi)，盲板蓋關(guān)閉后，在一定預(yù)緊力的作用下使唇形圈緊貼密封面，實現(xiàn)初始密封。正常運行時，介質(zhì)進入唇形圈的內(nèi)腔，在高壓介質(zhì)的作用下，唇形圈上部的唇口漲開，更加緊貼密封面；唇形圈內(nèi)腔與底部的鞍形腔體之間，開有8 個周向均布直徑1 mm 的平壓孔，高壓介質(zhì)經(jīng)平壓孔通入鞍形腔內(nèi)，在高壓介質(zhì)的作用下，唇形圈兩側(cè)緊貼密封面，以此實現(xiàn)自緊密封。唇形圈外側(cè)上設(shè)置有不銹鋼骨架彈簧，嵌入在橡膠基體內(nèi)，與筒體法蘭上的支撐弧面配合，目的是為了增加其局部剛度，以防止唇形圈橡膠材料過多地擠入密封間隙中[1]。

圖1 唇形圈截面示意圖Fig.1 The cross-section of the lip seal

2 唇形圈宏觀檢查

檢查失效的唇形圈，發(fā)現(xiàn)其表面和內(nèi)腔存在多處鼓包，尤其是在斷裂處附近，鼓包尤為密集，擠壓鼓包位置，能明顯感受到其內(nèi)部充滿帶壓氣體。選擇一處鼓包切斷，帶壓氣體迅速逸出，并散發(fā)出臭雞蛋氣味，說明帶壓氣體為原料氣。觀察其截面，鼓包變癟后，可明顯觀察到橡膠材料內(nèi)部開裂、分層，缺陷位置中間偏寬，兩端尖銳，如圖2 所示。

圖2 失效唇形圈內(nèi)部開裂Fig.2 Internal cracks of the lip seal after failure

檢查同一批次庫房備用新唇形圈，發(fā)現(xiàn)其表面也存在大量的突起、鼓包，但體積較失效的唇形圈小。

3 分析測試

為進一步探究唇形圈失效的根本原因，我們對唇形圈分別做化學(xué)成分分析，硬度測試，H2S 環(huán)境測 試。

3.1 化學(xué)成分分析

分別在失效唇形圈（1#）和庫存新唇形圈（2#）上隨機取樣，根據(jù)GB/T 6040—2002《紅外光譜分析方法通則》，經(jīng)溶劑洗泡，烘干，裂解后進行紅外光譜分析，結(jié)果顯示兩個唇形圈材質(zhì)均為氫化丁腈橡膠，材質(zhì)與原設(shè)計吻合。

3.2 硬度測試

硬度測試過程具體方法參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2411—2008《塑料和硬橡膠使用硬度計測定壓痕硬度（邵氏硬度）》。對密封圈部分取樣，由于厚度不符合測試要求，因此切取6.3 mm 高的密封圈短節(jié)，在斷面進行硬度測試，然后在溫度23.2℃，濕度54%環(huán)境中放置1 h 后，再使用邵氏硬度計測試密封圈硬度。由于受到成型密封圈試樣尺寸的限制，按標(biāo)準(zhǔn)要求測試點和邊沿距離不低于9 mm，實際距離約為2 mm。測試結(jié)果見表2。

表2 唇形圈樣品硬度測試結(jié)果表Table 2 The results of hardness tests on lip seal samples

從測試結(jié)果來看，1#樣相對2#樣硬度有所增加，平均值增加10。

3.3 H2S環(huán)境測試

（1）NACE 標(biāo)準(zhǔn)測試

對庫存新唇形圈2#樣進行取樣，根據(jù)NACE TM0296-2014《酸性氣體環(huán)境的彈性材料標(biāo)準(zhǔn)試驗方法》，對其外觀、質(zhì)量變化、硬度和壓縮永久變形幾項指標(biāo)在試驗前后變化進行測試，以測試其在H2S環(huán)境中的性能。

浸泡試驗條件：

試驗液體：試驗液體占試驗容器的60%，其中烴液55%（正己烷25%、正辛烷20%、正癸烷50%、甲苯5%），蒸餾水5%。

試驗氣體及壓力：

PH2S= 1.38 MPa；

PCO2= 0.35 MPa；

PCH4= 5.18 MPa；

P總= （ 6.9±0.1） MPa。

試驗溫度：100℃± 2℃

試驗周期： （160 ± 2） h

試樣位置：液相

試樣尺寸：切取短節(jié)，高度6. 3mm

試驗結(jié)果見表3、4、5。

表3 外觀和質(zhì)量變化檢測結(jié)果Table 3 The test results of variations of appearance and quality

表4 邵氏硬度（Shore A）檢測結(jié)果Table 4 The test results of Shore hardness （Shore A）

表5 壓縮永久變形測試結(jié)果Table 5 Compression set test results

其中，壓縮永久變形試樣在試驗后發(fā)現(xiàn)試樣表面輕微鼓包，如圖3 所示。

（2）模擬現(xiàn)場工況測試

圖3 壓縮永久變形試樣浸泡后的外形圖Fig.3 The outline of compression set test samples after being immersed

參照NACE TM 0187—2011《酸性氣體環(huán)境的彈性材料標(biāo)準(zhǔn)試驗方法》，按現(xiàn)場工況條件，模擬現(xiàn)場介質(zhì)條件工況進行壓縮樣的浸泡試驗，試樣取出時，采取2 MPa/min 泄壓速度進行泄壓，對庫存新唇形圈2#樣外觀、硬度和壓縮永久變形幾項指標(biāo)在試驗前后變化進行測試，以測試其在H2S 環(huán)境中的性能。

試驗液體：0.5 L 模擬氣田水，每升脫氧蒸餾水中 加2 293 mg NaHCO3，1 891 mg KCl，32 200 mg NaCl 和4 667 mg Na2SO4，試驗液體占試驗容器的10%；

試驗氣體及壓力：

PH2S= 0.95 MPa；

PCO2= 0.61 MPa；

P總= 9.0 MPa。

氮氣增壓；

試驗溫度：（100±） 2 ℃

試驗周期：70 h

試樣位置：氣相

試樣尺寸：切取短節(jié)，高度6.4 mm

試驗結(jié)果見表6、7。

4 失效分析

試驗結(jié)果顯示，新舊唇形圈樣品的紅外光譜測試顯示樣品材質(zhì)均為氫化丁腈橡膠，根據(jù)GB/T34903.2—2017 列出的最常用的彈性體材料，對不同等級范圍的彈性體材料，根據(jù)共同的特性列出了溫度上限值或范圍，氫化丁腈橡膠在H2S 環(huán)境下使用要根據(jù)快速氣體減壓（RGD）和老化試驗判定其適用范圍[2]。查詢該失效唇形圈的使用記錄，過濾器共經(jīng)歷11 次升降壓操作，期間最快升壓速率為16.4 MPa/h，最快降壓速率為6.8 MPa/h，記錄中未見快速升壓和降壓工況，但也不能排除，從使用條件上應(yīng)要求唇形圈具有耐快速氣體減壓性能。

表6 外觀和硬度變化檢測結(jié)果Table 6 The test results of appearance and hardness variations

表7 壓縮永久變形測試結(jié)果Table 7 Compression set test results

硬度測試中，失效的橡膠密封圈硬度與庫存新橡膠圈相比發(fā)生了變化，平均值增加了10，說明橡膠發(fā)生了老化，參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 34903.2—2017 中規(guī)定，老化試驗后硬度可接受范圍為+10/-20 個單位，在NACE 標(biāo)準(zhǔn)測試和模擬現(xiàn)場工況測試中，其硬度變化也在此范圍內(nèi)。因此，可排除硬度變化對唇形圈失效造成的影響。

從H2S 環(huán)境氣相、液相的測試結(jié)果，外觀、硬度、質(zhì)量測試結(jié)果未見異常，但在NACE 標(biāo)準(zhǔn)液相環(huán)境中，壓縮永久變形的試樣表面（圖3）觀察到輕微鼓包現(xiàn)象，同時浸泡前橡膠的壓縮永久變形量為16%，浸泡后為48%，浸泡前后變化值比較大，達到66.6%，說明材料在NACE 含H2S 試驗環(huán)境中的不適用，鼓包會造成材料性能的變化，影響材料的密封性。

結(jié)合對現(xiàn)場失效唇形圈鼓包位置橫截面以及庫房備用新唇形圈外觀的檢查情況來看，唇形圈存在嚴(yán)重的制造缺陷，這促進了橡膠材料在NACE 標(biāo)準(zhǔn)測試中出現(xiàn)鼓包跡象，也是誘發(fā)唇形圈失效的主要因素。下面將唇形圈中存在制造缺陷導(dǎo)致泄漏的失效機理分析如下，如圖4 所示，在過濾器內(nèi)原料氣壓力Pw的作用下，密封圈上部的唇口以及鞍形腔兩側(cè)將緊貼密封面A、B、C，唇形圈E 點處被拉伸，高壓原料氣逐步向缺陷內(nèi)滲透，使Pw'逐漸升高并達到其能夠達到的最大值。唇形圈D 點處的尖銳邊緣在Pw'的作用下逐步向外擴展直至貫穿。當(dāng)D 處貫穿，Pw'得到泄放而等于。唇形圈橡膠部分撕裂、貫穿的同時，骨架彈簧也因受力而斷裂。多次的升降壓過程中，來自容器內(nèi)的原料氣壓力不斷變化，致使缺陷內(nèi)Pw'也隨之變化，加速了D 點的疲勞開裂。

圖4 唇形圈截面受力示意圖Fig.4 The cross-section of lip seal under stress

5 結(jié)束語

通過上述試驗和分析可知，造成本次快開盲板泄漏的主要原因是唇形圈制造品質(zhì)低劣，其橡膠材料內(nèi)部存在分層缺陷。氫化丁腈橡膠在H2S 環(huán)境下存在一定的不適應(yīng)性，以及原料氣過濾分離器在使用過程頻繁的升降壓促進了唇形圈大面積鼓包和失效斷裂。因此唇形圈的制造應(yīng)選擇大品牌的制造商，成熟的制造工藝，保證唇形圈在制造中膠料填充充足，即可防止缺陷產(chǎn)生。根據(jù)GB/T 34903.2—2017 中常用彈性體材料的特性表，選擇更高等級的橡膠材料如氟橡膠或全氟醚橡膠可以改善在H2S 環(huán)境下的使用性能。工藝操作上，應(yīng)盡可能避免對設(shè)備頻繁的升降壓操作，若有必要，則需緩慢進行，才能防止唇形圈疲勞開裂。