液氨装卸鹤管密封失效与改进措施

王柱涛

（中国石油大庆石化公司化肥厂，黑龙江大庆 163714）

0 引言

为确保液氨充装过程具有更高的安全性，采用万向充装管道系统（鹤管）替换原来的金属软管以充装液氨。在实际工作中，鹤管的密封圈、卡箍式密封、旋转接头等重要部件的密封经常出现失效现象。虽然相较于金属软管，液氨鹤管如果出现失效，通常不会导致十分严重的泄漏事故，但同样可能引起中毒或是环境污染等问题。本文采取设备附件加强、拉断阀结构更换以及密封圈材料升级等途径，来提升鹤管安全性，有助于低温装卸设备以及液氨鹤管的日常维护工作的顺利开展。

1 液氨装卸鹤管本体技术方案

立柱固定在栈桥或地面上，用于支撑鹤管，改善回转接斗的受力状态，延长回转接头的使用寿命，便于安装。外臂与内臂及联接臂通过联接管连接，为鹤管的主要部分。可以实现水平和垂直方向范围的回转。外臂可在工作范围内自由回转，使装卸臂可以轻松实现与罐车的对接。过流部件材料可选用304。内臂与接口相联接，可在水平面上回转。与外臂通过联接管连接。过流部件材料可选用304。液相、气相联接臂一端与外臂相连，另一端与罐车对接以完成装卸作业。液相DN50/气相DN25。过流部件材料可选用304。底部装卸鹤管的管端部带有干式快速接头与罐车对接，一端整齐布置有氮气吹扫和残液回收管线。加装氮气吹扫及残液回收管线总重小于90 kg。气液相低温切断球阀带有防误开及防爆设计。内臂锁紧机构是位于立柱及内臂之间的一个机械机构，可将内臂锁紧在该位置。这样可以防止因大风环境，或因非操作人员操作使鹤臂周围建筑受损。拉断阀使设备能够自动、瞬间脱离；脱离后两部分能有效密封并自动关闭，实现零泄漏；避免常规操作时出现“脱离”。阀体采用304 或更高性能材料，无缝钢管由模具压制而成，与以往铸件相比，具有结构小巧，外形美观、重量轻、零泄漏等特点。氮气吹扫及残液回收管线采用Φ10 不锈钢管，加装单向阀和切断球阀，材料均为304 或更高性能材料。残液回收管线采用DN15 不锈钢管，加装切断球阀，材料均为304 或更高性能材料。

2 液氨鹤管密封失效分析

2.1 旋转接头主密封失效原因分析

（1）旋转接头主密封圈主要包括内衬膨胀圈弹片和聚四氟乙烯等，其中前者可使密封圈具有更高的弹性，达到密封补偿的目的。由于主密封和液氨介质是直接接触，当出现鹤管泄压的情况，将产生冷流现象，引起密封圈（其材料为PTFE 聚四氟乙烯）出现冷缩失弹现象，降低密封性能。在高弹状态下，如果主密封圈进入到冷流状态中，则密封圈会出现显著收缩。304 弹片硬度较高，密封圈发生冷缩后，弹片会出现翅片脆断的现象，最终导致主密封发生失效，导致液氨泄漏。

（2）旋转鹤管时，由于在旋转接头的滚道中，其滚球未得到充分润滑，从而发生卡涩。如果又受到外力及部件的自重影响，会出现主密封圈及滚球受力不均匀的问题。在长时间运转后，将导致主密封圈中发生不均匀的磨损现象，而又不能通过内衬膨胀圈进行有效补偿，最终该部位出现轻微泄漏问题。

2.2 拉断阀失效泄漏原因分析

（1）O 形密封圈出现脆断而失效的问题。拉断阀中有3 个O形密封圈，均采用氟橡胶制作。由于该类材料的耐低温性不高，其具有弹性极限温度通常处于-15～-20 ℃，且具有大约-20 ℃的玻璃化温度。当该材料处于此温度值后，其中的分子链段将逐渐冻结，导致其逐渐硬化并且变脆，具有玻璃态的特征，不再具有橡胶材料自身的弹性特点。充装液氨时，如果鹤管出现泄压现象，则液氨将立即发生气化，从而引起鹤管的内壁迅速降温到-20～-30 ℃。氟橡胶材料也从之前的高弹状态马上失去弹性，如果受到介质压力的外在影响，O 形圈将会发生脆断。由此，不符合低温工作方面的相关要求。

（2）拉断螺杆发生断裂，导致密封失效问题。DN50 mm 规格的拉断阀拉断强度应力为13 kN，如是DN25 mm 规格，则该值等于4.8 kN。应基于纯轴向张力来计算拉断阀最大拉力强度原则，即在三颗拉断螺杆之上均分管线所收张力。通常而言，在拉断阀上承受的是斜向张力，增加斜拉角的值，将会逐渐在1～2个拉断螺杆之上集中张力负荷，则在较小的阈值下，拉断阀将会断裂。斜线张力与真正的工况条件较为接近，装车时拉断阀始终承受某个方向的斜向张力作用，这个张力主要是由拉断阀内侧鹤臂拉簧拉力和其自身重量引起，使得一颗螺杆存在集中承受外力的现象。导致一颗拉断螺栓延伸预紧力不足，则会引起泄漏。由于DN25 mm 规格的拉断阀具有相对较小的拉断强度，因此在安装鹤管和进行充装操作时，斜向张力会超过单一螺杆上的阈值，最终引起螺杆断裂。

（3）卡箍出现密封失效的问题。如果卡箍连接方式存在缺陷，则有可能对卡箍密封的安全性造成巨大影响。首先，如果采用过松的卡箍装配，则会使连接部位未受到完全约束，在一定的外界扰动作用下会出现位移现象，显著影响密封效果。其次，如果采用过紧的卡箍装配，则会导致密封圈长期处在受压状态中，当其服役时间延长或增加压缩率，由于橡胶材料出现应力松弛现象，由此显著降低应力，使得密封性受到较大影响。而且，如果卡箍周边没有设置吊架或者支撑，则在其密封的部位上无法承受较高径向作用力，因此，非常有必要安装吊架或是支撑。否则，装车时卡箍密封的相关位置会受到弯矩及扭力作用，则密封圈受到一定的挤压而导致咬伤，最终影响其密封性能。

2.3 快速接头O 形圈密封失效

（1）出现扭曲损坏的问题。在将槽车和快速接头进行相互对接的过程中，O 形圈会沿着其周向而逐渐扭转滚动，最终导致扭曲及泄漏问题。

（2）出现磨粒磨损行为。正常工作时，往往有沙粒及灰尘等细小颗粒粘到密封间隙的外表面区域上，对此处产生磨粒磨损作用，从而影响其密封性。

3 改进措施

3.1 旋转接头改进措施

（1）在进行液氨装车时，需要保证操作平稳，避免泄漏的液氨发生汽化在鹤管外表面区域结霜，从而有效规避主密封圈失去弹性，取得良好密封效果。

（2）采用316L 不锈钢弹片替换304 不锈钢弹片，使得弹片的硬度相应降低，除了符合密封圈弹性方面要求外，也明显降低主密封弹片发生脆断现象的概率。

（3）定期且合理地润滑旋转接头滚道滚球，有效避免出现卡涩现象，降低主密封面发生磨损的程度。为此，需要结合使用鹤管的实际频次，每隔1～3 月，在旋转接头中添加润滑脂。

3.2 拉断阀密封改进措施

（1）以三元乙丙橡胶材料制备O 形密封圈。主要是由于该类材料的低温性能及耐氨性都较为优异，具有大约-60 ℃的玻璃化温度，能够符合低温环境下工作的相关要求，尽可能降低装车时密封圈发生脆断的概率。

（2）气相鹤管DN25 mm。由于拉断阀具有相对较低的拉断强度，因此进行充装时其会承受斜向张力，引起拉断螺杆发生断裂。由于不能有效消除拉断阀上的斜向张力，可采用大规格的拉断阀（例如DN50 mm），从而增强其抗拉断性能，使其具有更好的安全性。对于气相鹤管，可采用DN50 mm 规格的气相鹤臂，DN25 mm 规格的气相鹤臂，DN25 mm/DN50 mm 规格的异径接头，DN50 mm 规格的拉断阀以及旋转接头等。

（3）在安装卡箍密封结构过程中，卡箍螺栓上的预紧力以及安装位置的同心度均不容易有效控制。由于未在卡箍周围设置固定的支撑，因此其密封部位存在径向力，影响其密封效果。为此，应该采用螺纹连接拉断阀，此外选择螺纹+静密封圈密封的形式，显著地增加其安全可靠性。

3.3 快速接头O 形圈整改措施

（1）对于密封间隙，应使用具有合适硬度值的密封材料来有效控制。由于O 形圈具有HS（60～90）的硬度值，低压时会采用低硬度材料，高压情况则选择硬度较高的材料。此外，在安装过程中，需润滑接头以及密封的部位，避免出现扭转损伤的现象。

（2）装车过程结束后，需盖好接头上的防尘盖，避免颗粒进入。

4 总结

在深入分析液氨装卸鹤管密封部位出现失效问题基础上，提出合理改进措施，促进鹤管装车过程具有更高的安全可靠性，有效避免密封部位出现泄漏现象，有助于促进低温装卸设备和液氨装卸鹤管的日常保养，实用效果良好。