成品油管线的发球筒快开盲板唇形密封结构优化

2020-07-11蒲斌王洪健宋连刚沈亮

油气田地面工程 2020年7期

蒲斌王洪健宋连刚沈亮

1中国石油西部管道公司

2北京油气调控中心

快开盲板是指压力管道或压力容器的圆形开口上，能实现快速开启或关闭的一种机械装置[1]；常见结构包括牙嵌型、卡箍型、插扣型、环锁型等[2]，广泛应用于石化行业中需经常启闭的设备[3]，如常用于收发球筒、过滤器或其他压力容器的圆形开口上，可以快速进行开关操作。

乌兰成品油管道某中间站，成品油收、发球筒快开盲板在收、发球筒内低压时均有非常小的渗漏现象，管线输送介质为0#柴油和国Ⅳ、Ⅴ汽油，输送介质压力为1.6～6.5 MPa，所用快开盲板厂家为法国Groupe Genoyer Piping Technologies，规格26"DP10 MPa×24 mm W/T，快开盲板材质ASME SA350 LF2，设计压力10 MPa。

在对成品油快开盲板的检查过程中发现，快开盲板多处发生锈蚀，密封面有多处凹坑，如图1所示，一处腐蚀凹坑深度大概1 mm 左右，腐蚀坑内有成品油积聚。密封面有致密的密封水线，凹坑破坏了密封水线，因此造成快开盲板发生渗漏。此时，通过更换新的密封圈不能解决快开盲板的渗漏问题。

图1 快开盲板密封面锈蚀情况Fig.1 Corrosion of sealing surface of fast-opening blind

油气管线的收发球筒快开盲板为焊接安装，对于密封面处理的方式一般需拆除后离线修复，但是，拆除运行的输油气干线收发球筒的作业成本、安全风险均非常高，因此，需要采取在线处理快开盲板密封渗漏的维护方式。

1 快开盲板密封结构

法国PT 公司的NLS 快开盲板大量应用于乌鄯兰原油管道、乌兰成品油管道收发球筒及过滤器。图2 为NLS 快开盲板的密封结构，其中，图2a 为NLS 快开盲板关闭状态时的结构简图，图2b 为密封结构图。NLS快开盲板的结构类型为剖分环式快开盲板，采用唇形密封[4]的自紧式密封结构[5]，选用的是“U”形唇封橡胶密封圈。

1.1 唇形密封结构密封原理

唇形结构密封圈的工作原理：当唇形密封圈装入工作槽之后，其唇部被压缩后接触面紧密贴合实现初始的密封，唇部与密封面贴合的紧密程度决定了快开盲板的初始密封性能；当进入工作状态后，带压介质进入唇口，唇部在压力的作用下变形，密封件在强度允许范围内，随着介质压力的不断增加，唇形密封与密封面的贴合越紧密，密封效果越好。

图2 NLS快开盲板简易结构图Fig.2 Simple structure diagram of NLS fast-opening blind

唇形密封初始密封质量的高低决定了低压状态下的密封效果，随着快开盲板使用时间的增长，密封面锈蚀、损伤等状况使快开盲板初始密封失效，造成渗漏。

1.2 唇形密封材料

常用的橡胶密封材料有以下几种：NBR（丁腈橡胶）、FKM（氟橡胶）、EPDM（三元乙丙橡胶）、HNBR（氢化丁腈橡胶）、Q（硅橡胶）、CR（氯丁橡胶）、ACM（丙烯酸酯橡胶）、FFKM（全氟醚橡胶）[6]，本文对各材料性能不一一赘述。

密封材料的选择有以下两个条件：①使用温度，即密封材料的适用温度范围与工艺设备的使用温度相匹配；②适用介质，即密封材料适用于工艺介质，密封材料对工艺介质具有良好的耐受性。

乌兰成品油管道常温输送，某站自然温度为-20～50 ℃，夏季暴晒后设备本体温度有可能达到70 ℃，输送介质为0#柴油和国Ⅴ汽油，推荐选用的材料为NBR与FKM。

NBR 与FKM 对乌兰原油、成品油管道输送油品的耐受性基本一致，FKM 耐原油的性能稍好于NBR 材料，且相较NBR 的温度适用范围更宽，在低温适用性相差不大的情况下，高温的适用温度更高，因此通过综合比选，选用FKM 材料作为乌鄯兰原油、乌兰成品油管道的密封应用材料。

2 唇形密封受力分析及改进

2.1 初始尺寸

对使用的唇形密封进行尺寸测量，根据详细的密封初始尺寸，对唇形密封进行受力变形分析。详细尺寸及配合结构如图3所示。

图3 快开盲板实物密封图Fig.3 Physical seal diagram of fast-opening blind

2.2 原结构受力分析

橡胶是一种各项同性、可高度变形、高弹性和压缩性较小的材料，橡胶密封结构具有三重非线性，即材料非线性、几何非线性和接触非线性[7]。用Mooney-Rivlin 理论可以较好地描述橡胶类不可压缩超弹性材料在大变形下的力学特性[8-9]，利用ANSYS 结构分析软件对密封圈在快开盲板中安装和使用的高度非线性接触问题进行研究，建立模型并进行受力分析。

由于快开盲板筒体直径600 mm 以上，进行受力分析时对一小段按照直线简化受力模型，将在用唇型密封与快开盲板筒体接触面分为A 面和B 面（图4），使用ANSYS 软件对唇形密封与A 面、B 面的接触受力进行分析。

按照快开盲板关闭完成后A 面和B 面实际位置，分析唇形密封圈由初始尺寸至A面与B面在距离缩短为实际位置时，唇形密封圈的最终受力情况。将A 面与B 面的尺寸设定为100%，当密封圈与接触面有受力时认为密封圈与接触面有效密封。按照氟橡胶力学性能进行受力分析，邵尔A硬度为75，拉断伸长率为156%，拉伸强度为7 MPa，受力分析结果如图5所示。

由图5可知，密封圈的两个接触面接触长度均较小，最大接触力不大，A 面的接触压力小于B面。由于密封圈与快开盲板B面为常态化接触，快开盲板A 面为频繁启闭面，同时当快开盲板内有少量介质残留时，介质首先经最底部A 面发生泄漏，并且从快开盲板的检修历史来看，均为A面锈蚀及缺陷，因此密封圈与快开盲板A面需要较大的接触力，同时需要增大A 面的接触长度，以此减小发生泄漏的可能。

图4 唇形密封分析图Fig.4 Analysis chart of lip seal

2.3 密封圈优化及受力分析

为了增强唇形密封在低压状态下的密封效果，对唇形密封进行以下优化：①结构上增大密封圈与快开盲板A 面、B 面的接触面积；②调整优化结构，增大密封圈与快开盲板A面的接触力。

优化后的密封圈与快开盲板的安装结构如图6所示。改进如下：①将原唇形密封两侧接触位置圆形接触改为线接触，增大接触长度，并将两侧密封厚度加厚；②将原唇形密封中间部位改为圆形，增大两侧的接触力；③增大密封初始的张开角，增大安装时的预紧力。

图5 密封圈受力分析Fig.5 Force analysis of seal ring

图6 优化后的密封圈与快开盲板安装图Fig.6 Optimized sea ring and installation diagram of fast-opening blind

对优化后的密封圈进行受力分析，结果如图7所示。对图7 优化结果与图5 在用密封圈受力分析结果进行比较，结果见表1。

表1 密封圈优化前后对比Tab.1 Contrast of seal ring before and after optimization

密封圈进行优化后获得以下效果：①优化后的密封圈与快开盲板A 面接触力增加2.94 倍，接触长度增加1 倍，有效地提高了A 面密封性；②优化后的密封圈与快开盲板B 面接触力虽有减小，减小39.6%，但接触长度增加了5.65 倍，当介质渗入接触面后，随着接触长度的减小，B 面接触压力将有效增加，仍可保证B 面密封性；③优化后密封圈Von-Mises 应力增加了93.8%，但仍小于材料的许用应力，密封圈仍是安全可靠的。

图7 优化后的密封圈受力分析Fig.7 Force analysis of optimized seal ring

3 唇形密封分模线的控制

分型面是指分开模具取出制件或浇注系统凝料的面[10]，模具的分型面直接影响橡胶制品的外观质量和尺寸精度等各个方面[11]。密封圈在完成硫化工序后，由于分型面的存在，不可避免会在产品上留下分模线等外观缺陷[12]。由于部分制造商对密封面的认识不足，将分模线留在了密封圈的密封面上，造成密封圈密封面的泄漏。

目前在用密封圈的密封区域如图8 中A 区与B区，分模线如果存在于图A区，A区直接与筒体密封面接触，分模线有可能造成密封圈与快开盲板筒体之间密封不良，造成渗漏；分模线如果存在于图B 区，将会造成密封圈与快开盲板之间密封不良，造成渗漏。因此，为了确保密封面的密封性能，密封圈的制作过程应避免将分模线出现在此区域，模具的分型面尽可能避开橡胶制品的工作面[13]。

采用着色法对在用的快开盲板密封圈进行实验，A区的靠近区域如图9所示。

通过着色法，密封部位为线密封，接触长度较小，与图5中ANSYS分析结果一致。密封部位质量的光滑对密封的影响非常大，在用密封圈的分模线错误地设置于A区，从着色的结果看，密封部位在分模线上，并且此处分模线并未做其他处理，表面粗糙度较高，影响了密封面贴合的质量，一定程度上造成了快开盲板的渗漏。