油氣長輸管道快開盲板O型圈密封泄漏原因分析及對策研究

文/梁華生

0 引言

O型圈擠壓式密封是簡單實(shí)用的有效密封方式，油氣長輸管道站場快開式過濾器、快開式收發(fā)球筒和先導(dǎo)式水擊泄壓閥等設(shè)備高壓端面密封中均使用此方式密封。使用O型圈密封時(shí)，需要考慮密封材料、安裝溝槽、安裝間隙、密封面光潔度及O型圈壓縮率、溶脹率等特性。然而，由于O型圈材料選擇、密封結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)及加工制造等方面的原因，也會導(dǎo)致密封失效。不僅在泵、液壓缸等動(dòng)設(shè)備中存在O型圈斷裂或永久變形失效，造成泄漏事故，而且在快開盲板、水擊泄壓閥等靜密封位置同樣發(fā)生過O型圈失效泄漏事件，如快開式過濾器在2.5MPa下噴射泄漏，快開式過濾器多次在1MPa左右發(fā)生滲漏等。本文以某輸油站投油后過濾器在5MPa下發(fā)生滲漏為研究問題，進(jìn)行原因分析并提出相應(yīng)對策。

1 泄漏的O型圈密封情況

近年來對O型圈密封的研究多針對其材料及性狀，對于靜密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的研究較少。王剛等采用有限元軟件模擬方法，分析對比O型圈不同壓縮率和不同載荷下的最大接觸應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)O型圈接觸應(yīng)力隨著壓縮率的增大而增大，即實(shí)際中增大壓縮可以提高密封效果。李姝等研究得出，O型圈密封時(shí)密封面間最大間隙應(yīng)該在0.2mm以內(nèi)，否則就會造成密封失效。

本文對若干發(fā)生過泄漏的快開式盲板過濾器開蓋檢查檢測，發(fā)現(xiàn)密封面不平整，存在較大密封間隙。對于之前的過濾器快開盲板泄漏問題，在拆除加裝的快開盲板、更換回原固定頭蓋后沒再發(fā)生泄漏事件。2020年，華南管網(wǎng)某輸油站投油后快開盲板過濾器在5MPa下發(fā)生滲漏，隨即搶維修隊(duì)用壓鉛絲法測量4臺過濾器密封間隙，發(fā)現(xiàn)密封面不平整，間隙大小分布不規(guī)則，現(xiàn)場實(shí)際測量結(jié)果如圖1、圖2所示，過濾器進(jìn)出口方向的密封間隙為0mm，在垂直進(jìn)出口方向的密封間隙最大，局部最大間隙達(dá)到1.1mm。

圖1 某輸油站3#過濾器密封間隙測量

圖2 某輸油站4#過濾器密封間隙測量

對該輸油站3#快開式過濾器使用中發(fā)生泄漏的情況進(jìn)行分析計(jì)算，該過濾器卡箍盲板設(shè)計(jì)參數(shù)如下：盲板規(guī)格為DN750 PN10.0；O型圈規(guī)格（O型圈內(nèi)徑×O型圈截面直徑）為770mm×7mm。根據(jù)GB/T 3452.1－2005和GB/T 3452.3－2005，可查得該過濾器盲板端面密封時(shí)O型圈截面直徑及公差、對應(yīng)溝槽深度h及公差，如表1所示。

表1 某輸油站3#過濾器O型圈、溝槽尺寸及公差

2 原因分析

O型圈靜密封的機(jī)理是置于溝槽內(nèi)受壓變形并充滿密封間隙的密封圈，產(chǎn)生足夠的力，以抵抗設(shè)備內(nèi)部流體壓力。安裝好的O型圈在密封面及溝槽中的狀態(tài)有如圖3所示四種狀態(tài)。圖3（a）是理想的密封狀態(tài)，上下兩密封面平整、平行，在不考慮密封面加工粗糙度形成的點(diǎn)狀間隙時(shí)，O型圈及密封面間接觸良好，零間隙，整個(gè)O型圈的壓縮率在合理范圍；而在圖3（b）中，由于制造精度等原因造成密封面不平整或者不平行，上下兩密封面之間局部存在間隙，但O型圈仍形成一定壓縮率，形成部分密封作用；類似的，圖3（c）中，由于制造加工產(chǎn)生的上下兩密封間隙不足以使O型圈發(fā)生壓縮，O型圈與上下密封面點(diǎn)接觸，實(shí)際處于自由的不受力狀態(tài)，幾乎沒有形成密封作用；而在圖3（d）中，上下兩密封面間存在的間隙較大，O型圈完全處于自由狀態(tài)，且不與上部密封面接觸，完全不可能形成密封作用。

圖3 密封面及溝槽中O型圈狀態(tài)

由此可見，為使O型圈能夠形成良好的密封，充裝在密封面間的O型圈不僅要受力產(chǎn)生壓縮，而且需要其壓縮率達(dá)到合理范圍，才可能形成安全可靠的密封。

2.1 密封間隙對O型圈壓縮率的影響

當(dāng)密封面間O型圈處于壓縮狀態(tài)時(shí)，其壓縮率可按下式計(jì)算：

式（1）中：x——O型圈壓縮率

d——自由狀態(tài)下O型圈截面直徑，mm

h——O型圈溝槽深度，mm

δ——密封面間隙，mm

理想狀態(tài)下，O型圈兩密封面之間應(yīng)全部密切貼合無間隙，如圖4（a）所示，此時(shí)O型圈密封間隙δ=0，達(dá)到設(shè)計(jì)條件下理想密封狀態(tài)；但實(shí)際中，由于制造工藝及精度等原因，不可避免存在圖4（b）所示的密封間隙存在，δ不等于0。

圖4 密封間隙及O型圈壓速率計(jì)算

根據(jù)式（1）及GB/T 3452.3－2005附錄A公式A.13、A.14，可知O型圈的最小壓縮率對應(yīng)O型圈最小截面直徑、最大溝槽深度，而其最大壓縮率則對應(yīng)O型圈最大截面直徑與最小溝槽深度。以公式表示為式（2）、式（3）。

某輸油站3#過濾器密封間隙δ為0至1.10mm不等，按式（2）（3），可分別計(jì)算O型圈最小及最大壓縮率，如表2所示。當(dāng)密封間隙δ為0時(shí)，只要O型圈截面直徑和溝槽深度在國標(biāo)要求的公差范圍，O型圈壓縮率在15%至20%之間；而當(dāng)密封間隙為1.10mm時(shí)，其壓縮率在－1%至4.6%之間，可能出現(xiàn)圖3（c）（d）的狀態(tài)，最大壓縮率4.6%也偏小，對于O型圈擠壓式密封來說，沒有足夠的安全余量。GB/T 3452.3中沒有規(guī)定端面密封最小允許壓縮率，而航天工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《O型密封圈及密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求》（HBZ4－1995）規(guī)定了最小允許壓縮率為11%。

表2 O型圖密封間隙為0、1.10mm時(shí)對應(yīng)的壓縮率

對于可能造成較大生命財(cái)產(chǎn)損失的油氣輸送管網(wǎng)，輸油站快開盲板過濾器中O型圈可借鑒11%的最小允許壓縮率?？筛鶕?jù)式（2）推導(dǎo)得不同規(guī)格O型圈密封時(shí)的最大允許密封間隙δmax計(jì)算公式為：

由此可計(jì)算出，某輸油站3#快開式過濾器密封面最大允許間隙為0.28mm；當(dāng)密封間隙超過0.28mm時(shí)，O型圈壓縮率不足，將造成密封泄漏事故。目前，該過濾器密封間隙嚴(yán)重超標(biāo)。

2.2 密封間隙對O型圈受力的影響

O型圈安裝到溝槽中時(shí)發(fā)生如圖4所示的壓縮變形，其與密封面的接觸面寬度b（如圖5所示）可按如下公式計(jì)算：

圖5 O型圈與密封面接觸面寬度

當(dāng)壓縮率x＜10%時(shí)，

當(dāng)壓縮率x滿足10%＜x＜40%時(shí)，

式（5）（6）中：b——O型圈與密封面的接觸面寬度。

在過濾器中，由于內(nèi)部流體帶壓，安裝到溝槽的O型圈受到流體壓強(qiáng)P后的受力情形如圖6所示。由于密封面間隙δ存在，圖6中AB面上部的O型圈受到流體壓強(qiáng)P形成擠壓推力Fp，O型圈上部與密封面接觸受到摩擦力f，而在與溝槽壁接觸的B點(diǎn)受到剪切力Fs。對其受力情形進(jìn)行簡化，可以得到如圖b所示的力平衡。

圖6 O型圈受力分析

由于密封間隙的存在，暴露在密封間隙，即AB虛線以上部分的O型圈由于內(nèi)外壓差受到的擠壓推力Fp過大是O型圈受到剪切斷裂的根本。在整個(gè)O型圈密封圓周中，由于加工精度帶來的密封間隙是不均勻的，如圖7所示。為便于計(jì)算，假設(shè)δP為密封間隙面積S對應(yīng)的平均間隙寬度，根據(jù)壓強(qiáng)公式，擠壓推力Fp可由式（7）計(jì)算。

圖7 密封圓周中O型圈密封間隙分布

式（7）中：P——過濾器介質(zhì)壓力，MPa

L——O型圈周長，mm

D——O型圈直徑，mm

以式（7）計(jì)算某C輸油站3#過濾器在介質(zhì)壓力5MPa時(shí)，O型圈受到的擠壓推力隨平均間隙的變化曲線，如圖8所示。

圖8 擠壓推力FP隨平均間隙δP的變化曲線

從圖8中可知，在相同的O型圈直徑下，O型圈受到的擠壓推力隨平均密封間隙線性增大，可見O型圈密封間隙部位受到的環(huán)向擠壓推力與環(huán)向間隙面積成正相關(guān)，密封間隙越大，擠壓推力就越大，造成O型圈受壓松馳失效的現(xiàn)象越明顯。

同時(shí)，O型圈由于介質(zhì)擠壓推力，也會受到溝槽剪切力。如圖6所示，當(dāng)O型圈受力平衡且未形成撕裂泄漏之前，其受力關(guān)系表示如下：

把整個(gè)圓周密封間隙展開，然后分成n個(gè)小段，任意一小段長度為△Li，對應(yīng)的密封間隙為δi，如圖9所示。

圖9 O型圖密封間隙平展

根據(jù)力與壓強(qiáng)和應(yīng)力與力以及O型圈力平衡的關(guān)系，任意一小段長度上△Li受到的力FP(i)、剪切應(yīng)力τ如下：

（11）（12）式中：τ——O型圈任意i位置受到的剪切應(yīng)力/Pa

P——過濾器內(nèi)流體壓強(qiáng)/Pa

b——由式（5）（6）計(jì)算得出，任意i位置O型圈剪切面寬度AB，近似取接觸面寬度/mm

從式（12）可知，O型圈受到的剪切應(yīng)力τ與流體壓強(qiáng)P、密封間隙δ、O型圈截面直徑d、壓縮率x有關(guān)，而且當(dāng)密封間隙δ越大，剪切應(yīng)力τ越大。將式（6）代入以式（12）來驗(yàn)算某C輸油站3#過濾器在最大間隙1.1mm時(shí)的剪切應(yīng)力，當(dāng)介質(zhì)工作壓力在5Mpa時(shí)，實(shí)測該過濾器O型圈溝槽深度h為5.80mm，取O型圈截面直徑d在公差范圍（7±0.15mm）內(nèi)的不同直徑，計(jì)算得到如圖10所示的剪切應(yīng)力。

從圖10可看出，當(dāng)O型圈截面直徑d無限接近6.9mm時(shí)，其壓縮率x無限接近0，剪切應(yīng)力τ就越大，并趨于無窮；當(dāng)更換采用d=8mm的大截面直徑非標(biāo)O型圈時(shí)，在相同的尺寸公差下，根據(jù)公式（11）（12）可以計(jì)算非標(biāo)O型圈壓縮率為13.75%，剪切應(yīng)力降低為0.68MPa，但帶來了溝槽寬度不足的問題。

圖10 最大間隙時(shí)不同O型圈直徑受到的剪切應(yīng)力

假設(shè)O型圈材料的最大抗剪切應(yīng)力為τm，當(dāng)O型圈受到的剪切應(yīng)力τ＞τm時(shí)，O型圈就破裂損壞。參照材料力學(xué)中材料許用應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系（[σ]=σs/n，其中安全系數(shù)n取值范圍為1.2～9），O型圈的許用剪切應(yīng)力[τ]與最大抗剪切應(yīng)力為τm之間的關(guān)系為：[τ]=τm/n?？梢娤鹉zO型圈的硬度越大，抗拉強(qiáng)度越大，抗剪切強(qiáng)度就越大。

研究發(fā)現(xiàn)O型圈密封間隙越小，其受到的剪切力就越小；當(dāng)間隙為零時(shí)（由于加工精度和密封面粗糙度存在，實(shí)際很難做到），O型圈受到的剪切應(yīng)力就為零。O型圈密封間隙越大，其受到的剪切力就越大，超過O型圈的最大抗剪切應(yīng)力時(shí)將發(fā)生破裂損壞（橡膠O型圈的抗剪切強(qiáng)度一般在15MPa以下）。在實(shí)際制造加工精度不足造成密封間隙偏大的情況下，降低過濾器工作壓力P、更換硬度較高的O型圈、適當(dāng)加大O型圈直徑（但要選擇溶漲率小的O型圈材質(zhì)），能降低O型圈的剪切應(yīng)力，但僅是臨時(shí)措施。考慮到成品油管道行業(yè)屬于高危行業(yè)，過濾器長期投用運(yùn)行，O型圈斷裂造成油品泄漏的危害很大，在快開盲板設(shè)計(jì)和制造時(shí)控制密封間隙是提高過濾器本質(zhì)安全的關(guān)鍵措施。

3 造成密封間隙的設(shè)計(jì)、制造原因分析

研究分析發(fā)現(xiàn)造成過濾器快開盲板O型圈失效泄漏的原因，很大程度上可以歸結(jié)為O型圈密封的密封間隙過大，導(dǎo)致O型圈壓縮率不足、形成O型圈永久變形以及O型圈受剪切應(yīng)力斷裂等。為此，進(jìn)一步分析造成密封間隙的原因，提出相應(yīng)改善對策。

3.1 設(shè)計(jì)及規(guī)范原因

在某站快開過濾器O型圈發(fā)生泄漏后，仔細(xì)檢查設(shè)計(jì)圖紙、技術(shù)條件和相關(guān)規(guī)范，發(fā)現(xiàn)快開式過濾器盲板部件所引用的設(shè)計(jì)和制造標(biāo)準(zhǔn)SYT0556－2010、GB/T3452.1－2005、GB/T3452.3－2005等，均沒有對O型圈密封間隙和密封面平面度作出規(guī)定，而制造廠家在設(shè)計(jì)圖紙上也沒有對密封面形位公差作出標(biāo)注，僅寫有未注形位公差按《形狀和位置公差未注公差值》（GB/T 1184）取值，該標(biāo)準(zhǔn)通則中已經(jīng)寫明所規(guī)定的公差等級為一般制造公差，其對直徑1000mm至3000mm時(shí)平面度最大公差值為0.8mm，對由于功能要求需要的更高公差要求，應(yīng)按照GB/T1182規(guī)定在圖樣上直接標(biāo)注?？梢?，盲板部件的密封在設(shè)計(jì)之初就沒有很好的規(guī)范是造成O型圈密封間隙大、密封失效泄漏的原因。

3.2 制造工藝原因

快開盲板過濾器結(jié)構(gòu)如圖11所示，其制造過程是先加工好筒體短接及O型圈密封面，然后再與過濾器筒體對接，最后再焊接過濾器進(jìn)出口法蘭。這樣的加工順序優(yōu)點(diǎn)是使用小型車床、銑車即可完成筒體短接的加工，但由于與筒體對焊及焊接進(jìn)出口法蘭時(shí)，筒體短接先后產(chǎn)生兩次變形；如果是先焊接進(jìn)出口法蘭，再焊接筒體短接，最后再精加工筒體短接，將可避免焊接變形，但缺點(diǎn)是需要使用大型車床和銑車。由此可見，快開盲板過濾器制造工藝順序不合理也會造成筒體短接密封面變形，從而使O型圈密封存在較大密封間隙，從而引起O型密封圈受到較大剪切應(yīng)力，更容易導(dǎo)致泄漏的發(fā)生。

圖11 快開盲板過濾器結(jié)構(gòu)

4 結(jié)論與對策

本文基于對某輸油站快開盲板過濾器O型圈密封間隙的分析研究，得出造成O型圈泄漏的原因是由于密封間隙大而造成的O型圈壓縮率小、所受剪切應(yīng)力大。而造成過濾器快開盲板密封面間隙大的原因主要有：（1）國內(nèi)尚沒有相應(yīng)的盲板密封面設(shè)計(jì)制造標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范；（2）不合理的制造工藝造成盲板密封面二次變形而形成較大密封間隙。為此，提出以下改善對策：

（1）在高危的成品油管道行業(yè)中，長期投用運(yùn)行的過濾器，其O型圈斷裂造成油品泄漏的危害很大，建議在相關(guān)設(shè)計(jì)和制造標(biāo)準(zhǔn)中，明確密封面平面度和控制最大允許密封間隙，以提高過濾器本身安全壽命。

（2）在過濾器制造階段，建議出臺相應(yīng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，提高行業(yè)準(zhǔn)入門檻，督促制造廠家優(yōu)化制造工藝；同時(shí)為保證盲板密封效果，購買方應(yīng)派人駐廠監(jiān)造。