低溫旋轉(zhuǎn)接頭改進(jìn)及策略研究

鞠培建

（青島海灣液體化工港務(wù)有限公司，山東 青島 266409）

旋轉(zhuǎn)接頭材質(zhì)要考慮低溫介質(zhì)對(duì)其本身的適用性，中（高）合金鋼主要有 6%Ni鋼、9%Ni鋼、36%Ni鋼，其中9%Ni鋼是應(yīng)用較廣的深冷用鋼，這類(lèi)高鎳鋼的使用溫度可低至-196℃。低溫鋼主要應(yīng)具的性能是：韌性－脆性轉(zhuǎn)變溫度低于使用溫度；強(qiáng)度滿(mǎn)足使用受力工況；在使用溫度下組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定強(qiáng)；在流體管道中具有極低的磁導(dǎo)率、為滿(mǎn)足低溫可言及有毒介質(zhì)密封性冷收縮率應(yīng)較低，鋼材在低溫狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)組織的決定其密封面工作狀態(tài)下的行位公差變化，進(jìn)而影響密封性。

1 低溫旋轉(zhuǎn)接頭應(yīng)用的現(xiàn)狀分析

1.1 低溫工況下的變化

LNG溫度為-162℃，液態(tài)乙烯溫度為-104℃，滿(mǎn)足超低溫工況的鋼牌號(hào)有304、304L、316、316L等。304、304L、316、316L這幾種不銹鋼在常溫狀態(tài)下是亞穩(wěn)定狀態(tài)，在快冷超低溫環(huán)境狀態(tài)下，會(huì)因晶格畸變而發(fā)生向馬氏體轉(zhuǎn)變，影響組織的穩(wěn)定，即會(huì)變硬。因此，304不銹鋼用于超低溫狀態(tài)時(shí)，為避免304不銹鋼在超低溫狀態(tài)下向馬氏體轉(zhuǎn)變，預(yù)先進(jìn)行深冷處理。因此，經(jīng)深冷處理的304不銹鋼應(yīng)用于LNG和低溫液態(tài)乙烯介質(zhì)設(shè)備可以滿(mǎn)足要求。在-162℃工況下，304不銹鋼延伸率和斷面收縮率并未發(fā)生明顯降低的現(xiàn)象，輸料臂與物料直接接觸部分的管道及旋轉(zhuǎn)接頭外圈處于靜止?fàn)顟B(tài)，旋轉(zhuǎn)接接頭轉(zhuǎn)動(dòng)部分與法蘭接觸屬于軟密封，運(yùn)行過(guò)程中不會(huì)對(duì)鋼材施加能夠?qū)е陆鹣嘟M織變換和塑性變形的力，而且旋轉(zhuǎn)接頭是隨船體升降及涌浪走位產(chǎn)生的較慢的小幅度往返運(yùn)動(dòng)。因此，材料塑性變形主要對(duì)與輸送介質(zhì)的硬密封部分產(chǎn)生影響。

1.2 出現(xiàn)故障分析

目前，旋轉(zhuǎn)接頭出現(xiàn)的主要故障是旋轉(zhuǎn)接頭密封面點(diǎn)蝕及滾珠滾道的磨損疲勞。

密封面點(diǎn)蝕會(huì)導(dǎo)致主密封泄漏，主密封屬于動(dòng)密封，若點(diǎn)蝕出現(xiàn)在密封唇范圍內(nèi)，密封圈無(wú)法補(bǔ)償點(diǎn)蝕產(chǎn)生的間隙，進(jìn)而產(chǎn)生泄漏；法蘭連接密封面屬于經(jīng)密封，點(diǎn)蝕對(duì)于靜密封點(diǎn)泄漏影響較小，靜密封點(diǎn)出現(xiàn)點(diǎn)蝕時(shí)，其密封圈可以補(bǔ)償其點(diǎn)蝕量，一般不會(huì)出現(xiàn)泄漏。

旋轉(zhuǎn)接頭點(diǎn)蝕情況如圖1所示密封面點(diǎn)蝕。

圖1 密封面點(diǎn)蝕

旋轉(zhuǎn)接頭的滾珠滾道磨損疲勞，在裝卸作業(yè)過(guò)程中，旋轉(zhuǎn)接頭滾珠滾道出現(xiàn)磨損（如圖2所示），表面疲勞脫落，鋼材低溫脆化后表面受切向力影響脫落，隨滾珠在滾道中旋轉(zhuǎn)，當(dāng)滾道表面脆化后在擠壓力作用下，塊狀碎屑從表面脫落（如圖3所示），碎屑隨滾珠轉(zhuǎn)動(dòng)并摩擦、加上溫度變化等因素產(chǎn)生磁性，在滾道及滾珠表面積聚，導(dǎo)致滾珠在滾道中轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)受阻，最終導(dǎo)致卡死，旋轉(zhuǎn)接頭無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)，在外部液壓驅(qū)動(dòng)力作用下，最終將滾珠擠壓破裂，如圖4所示。

圖2 滾道磨損

圖3 磨損碎屑

圖4 鋼珠破裂

滾道內(nèi)壁出現(xiàn)明顯碎屑，總體表面光潔度已破壞。旋轉(zhuǎn)接頭材質(zhì)為1.4418，1.4418本身是一種低溫馬氏體不銹鋼，具有強(qiáng)度高、耐磨耐腐蝕等特性，同時(shí)，兼具一定的焊接性能，在特殊工藝條件下會(huì)向奧氏體逆變。試驗(yàn)標(biāo)明，1.4418馬氏體不銹鋼具有優(yōu)越的低溫沖擊性能,隨溫度的降低,其沖擊吸收功變化較小，-115℃下的低溫沖擊功出現(xiàn)一次明顯下降，較室溫的沖擊吸收功降低了38.27%，但仍然具有一定的塑性變形特征；在-165℃下1.4418馬氏體不銹鋼發(fā)生明顯的韌脆轉(zhuǎn)變,斷裂機(jī)理為典型的解理斷裂。因此低溫旋轉(zhuǎn)接頭裝配前預(yù)先進(jìn)行深冷處理，此處理工藝溫度梯層規(guī)律下降。深冷處理后，在后續(xù)低溫工況下使用，奧氏體不再向馬氏體轉(zhuǎn)變。在裝卸作業(yè)過(guò)程中，旋轉(zhuǎn)接頭鋼球外側(cè)壁與外部環(huán)境接觸，同時(shí)，旋轉(zhuǎn)接頭外側(cè)壁中間鋼球隔離，不與物料直接接觸，而且腔體內(nèi)充滿(mǎn)氮?dú)獠⒘鲃?dòng)，帶走部分冷量，溫度下降較慢，金相組織結(jié)構(gòu)變化較小，表面脆化較輕。如果裝卸作業(yè)開(kāi)始時(shí)，設(shè)備溫度下降速度較快，內(nèi)壁溫度急劇下降，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)接頭滾珠內(nèi)側(cè)壁金相組織結(jié)構(gòu)變化較大，脆性增強(qiáng)，內(nèi)側(cè)壁脆化嚴(yán)重，因此，旋轉(zhuǎn)接頭滾道內(nèi)側(cè)壁脆化較嚴(yán)重；外壁與內(nèi)壁之間通過(guò)氮?dú)飧糸_(kāi)，氮?dú)饬鲃?dòng)帶走冷量，外壁溫度受溫度輻射影響，溫度高于內(nèi)壁溫度，脆化程度較內(nèi)壁要輕，因此，外壁磨損較輕，表面脫落也較輕。

2 整治處理方案

將旋轉(zhuǎn)接頭完全解體，拆解內(nèi)、外圈，金加工維修內(nèi)、外圈滾道，即將內(nèi)外圈滾道尺寸先車(chē)至R8.34，部分內(nèi)、外圈滾道成型完好，則配裝SΦ16.669的鋼球（材質(zhì)440C）；部分成型不好，繼續(xù)車(chē)滾道至R8.74,配裝SΦ17.462的鋼球（材質(zhì)440C）。修改滾珠塞孔并配做滾珠塞。隨后檢查內(nèi)、外圈各密封面情況，修磨損壞密封面；超聲波清洗內(nèi)外圈；組裝內(nèi)、外圈，測(cè)試旋轉(zhuǎn)接頭氣密性等性能。

維修的旋轉(zhuǎn)接頭分別更換滾珠（外徑由φ15mm，更換為φ16.669mm和φ17.462mm）滾道重新車(chē)削研磨，車(chē)削量在0.83～1.23mm。重新組裝后進(jìn)行常溫氮?dú)庠囼?yàn)和低溫液氮試驗(yàn)。

車(chē)削加工量及更換滾珠直徑如圖5所示。

圖5 滾道車(chē)削量與滾珠直徑關(guān)系表

低溫輸料臂出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)接頭轉(zhuǎn)動(dòng)卡頓困難，主要原因是滾珠滾道過(guò)渡磨損導(dǎo)致的，時(shí)間越長(zhǎng)磨損量越大。通過(guò)對(duì)滾道車(chē)削研磨加工，達(dá)到要求的精度，更換大口徑鋼柱配合滾道。車(chē)削后滾道處的壁厚減小，但對(duì)總體強(qiáng)度影響較小，滾道

3 優(yōu)化及方法策略

旋轉(zhuǎn)接頭從原理上分析，相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的兩部分之間的間隙內(nèi)低溫狀態(tài)下無(wú)法形成“油膜”。液態(tài)乙烯的溫度在-104℃左右，潤(rùn)滑油脂在此溫度下均會(huì)失效，因此，轉(zhuǎn)動(dòng)部分無(wú)法形成油膜密封，甚至低溫狀態(tài)下造成密封面損傷。如果能形成“油膜”，可以很好地控制泄漏量，否則，無(wú)法從根本上消除泄漏，因此只能通過(guò)其他措施控制泄漏量。

相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)部分的間隙內(nèi)用內(nèi)襯不銹鋼骨架的超高分子聚乙烯材料的密封圈進(jìn)行填充，此材料在低溫狀態(tài)下可保證一定的彈性和耐磨性，安裝時(shí)，給密封圈施加一定的預(yù)緊力，在低溫狀態(tài)下可以補(bǔ)償剛才在低溫狀態(tài)下產(chǎn)生的形位公差。密封圈外部的腔通過(guò)流動(dòng)的氮?dú)鈱⑹Ｓ嘈孤┑牟糠值奈锪虾蛡鲗?dǎo)冷量，通過(guò)氣體流動(dòng)清洗稀釋。目前，低溫旋轉(zhuǎn)接頭的密封形式是物料主密封、清洗稀釋氮?dú)饷芊猓罄m(xù)進(jìn)一步優(yōu)化密封，增加物料密封級(jí)數(shù)，進(jìn)一步減少物料和冷量損失。

旋轉(zhuǎn)接頭定期拆解檢查清理，經(jīng)過(guò)維修后旋轉(zhuǎn)接頭的管道底部變薄，一旦管道或鋼珠卡阻，很容易對(duì)滾道壁造成塑性變形破壞，摩擦擠壓產(chǎn)生的碎屑及時(shí)清理，防止碎屑摩擦產(chǎn)生磁性導(dǎo)致集聚。

旋轉(zhuǎn)接頭腔體應(yīng)持續(xù)充氮保護(hù)，排除空氣其中的水分，尤其是碼頭靠近海水，空氣中的有含鹽量較高，容易形成電化學(xué)腐蝕，導(dǎo)致零部件腐蝕，降低強(qiáng)度，增大轉(zhuǎn)動(dòng)阻力。本次維修改進(jìn)的設(shè)備產(chǎn)生損壞的主要原因是設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間暴露于高含鹽量的空氣中，內(nèi)部含鹽水分無(wú)法排除，通入低溫液態(tài)乙烯后，旋轉(zhuǎn)接頭腔體內(nèi)結(jié)冰，導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)受阻，冰塊堵塞氮?dú)鉂?rùn)滑孔，導(dǎo)致氮?dú)饬魉俳档停瑴囟认陆递^快導(dǎo)致內(nèi)部墻體的冷量及時(shí)帶走，冰塊長(zhǎng)時(shí)間與腔體內(nèi)外壁磨擦導(dǎo)致表面金屬層脫落。因此，增大氮?dú)鉂?rùn)滑吹掃的孔徑，增大氮?dú)饬坑欣诶淞康纳⑹?，同時(shí)，即使部分金屬層脫落布置于堵塞氮?dú)獾倪M(jìn)出口。

本次改進(jìn)，主要是通過(guò)車(chē)削滾道，降低滾道的粗糙度，未進(jìn)行焊接處理，焊接后無(wú)法控制其熱變形對(duì)平行度的影響。更換鋼柱以適應(yīng)增大的滾道，按照組裝工藝重新進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)后基本上能達(dá)到出廠(chǎng)時(shí)的使用要求，但以后若再通過(guò)此方法進(jìn)行維修，內(nèi)外壁減薄，強(qiáng)度進(jìn)一步降低，將影響整體使用強(qiáng)度。

4 操作工藝控制

低溫設(shè)備應(yīng)注意隔離空氣，因空氣中的水分低溫狀態(tài)下會(huì)被吸附，形成質(zhì)地較硬的冰塊，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備氮封沖洗腔應(yīng)持續(xù)通氮?dú)?，保持與外部隔離。即使設(shè)備停止使用或暫時(shí)不用，也應(yīng)采取必要的氮?dú)獗Ｗo(hù)。

設(shè)備預(yù)冷時(shí)，嚴(yán)格控制預(yù)冷工藝，不得快速冷卻。防止急速冷卻時(shí)，一方面，旋轉(zhuǎn)接頭密封面及滾道的形位公差發(fā)生較大變化，導(dǎo)致泄漏量增加或滾珠轉(zhuǎn)動(dòng)受阻；另一方面，材料雖預(yù)先進(jìn)行了深冷處理處理，但并不能保證預(yù)冷速度過(guò)快導(dǎo)致金相組織發(fā)生不規(guī)則的變化，從而改變材料的性能。

5 結(jié)語(yǔ)

低溫輸料臂國(guó)產(chǎn)化已經(jīng)逐漸成熟，并在很多碼頭上得到了應(yīng)用推廣，國(guó)產(chǎn)旋轉(zhuǎn)接頭的密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，密封性得到改善，關(guān)鍵點(diǎn)控制得到提高。但是，制造細(xì)節(jié)控制上仍有差距，如果在材料上和制造工藝控制上進(jìn)一步提高，國(guó)產(chǎn)設(shè)備將完全可以代替進(jìn)口設(shè)備。日常使用過(guò)程中，要嚴(yán)格按照操作工藝規(guī)程進(jìn)行操作，降低宏觀(guān)變形和微觀(guān)變形的概率。