浮動(dòng)唇形橡膠密封圈失效分析

楊 林 林萬(wàn)洲 胡 吉 何培東 李 宏

中國(guó)石油西南油氣田公司川東北作業(yè)分公司, 四川 成都 610021

0 前言

某高含硫氣田集氣站原料氣過濾分離器為國(guó)外進(jìn)口設(shè)備,結(jié)構(gòu)型式為立式固定壓力容器,屬于第Ⅱ類中壓容器,作用是進(jìn)一步過濾分離從井場(chǎng)來(lái)的經(jīng)過重力分離器的原料氣,以除去原料氣中的大部分液滴和固體雜質(zhì)。原料氣過濾分離器頂部封頭采用快開盲板結(jié)構(gòu),密封圈采用浮動(dòng)唇形橡膠密封圈。在新近采購(gòu)的浮動(dòng)唇形橡膠密封圈使用一段時(shí)間后,密封圈失效導(dǎo)致了原料氣泄漏,對(duì)集氣站正常的生產(chǎn)運(yùn)行，以及設(shè)備、人員的安全產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響。本文通過對(duì)浮動(dòng)唇形橡膠密封圈泄漏原因進(jìn)行分析,提出優(yōu)化、改進(jìn)浮動(dòng)唇形橡膠密封圈材質(zhì)的措施。

1 浮動(dòng)唇形橡膠密封圈密封原理

浮動(dòng)唇形橡膠密封圈是一種具有微量浮動(dòng)功能的自緊式密封圈結(jié)構(gòu)[1-6],見圖1。當(dāng)容器內(nèi)部沒有介質(zhì)壓力時(shí),密封圈唇口靠自身結(jié)構(gòu)、彈性貼緊快開盲板密封面,實(shí)現(xiàn)初始密封,其預(yù)緊力由快開盲板安裝到位后密封圈唇口的過盈量產(chǎn)生;當(dāng)原料氣進(jìn)入容器并升壓時(shí),原料氣壓力作用在密封圈唇口,使密封圈唇口與快開盲板密封面貼合得更加緊密,并隨著容器內(nèi)部壓力的增加而增強(qiáng),骨架彈簧在受壓張緊后產(chǎn)生收縮力更好地平衡原料氣作用在密封圈唇口的水平分壓。同時(shí),原料氣通過密封圈圓周均布的6個(gè)平壓孔進(jìn)入密封圈馬鞍型底部,隨著壓力不斷增高,唇形密封圈向上有一定浮動(dòng),能夠起到補(bǔ)償快開盲板與鎖環(huán)間隙的作用。

圖1 浮動(dòng)唇形橡膠密封圈結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic diagram of floating lip rubber seal ring

2 浮動(dòng)唇形橡膠密封圈損壞情況

對(duì)從原料氣過濾分離器拆下的失效浮動(dòng)唇形橡膠密封圈進(jìn)行目視檢查,發(fā)現(xiàn)密封圈發(fā)生斷裂,在整個(gè)密封圈圓周方向,包裹在橡膠內(nèi)部的骨架彈簧已與密封圈脫落分離,有1處發(fā)生斷裂,密封圈上有多處鼓泡。在做好安全防護(hù)后,刺破其中1個(gè)鼓泡,有少量含H2S氣體逸出;從密封圈鼓泡處切開后,橫截面可以看到明顯裂隙,見圖2。

a)密封圈斷裂、骨架彈簧脫落a)Ring broken and spring falls off

b)密封圈鼓泡b)Seal ring bubbling

c)密封圈從鼓泡處切開的橫截面c)Cross section of ring out from bubble圖2 浮動(dòng)唇形橡膠密封圈損壞情況照片F(xiàn)ig.2 Damage of floating lip rubber seal ring

集氣站技術(shù)人員反饋,以往進(jìn)行原料氣過濾分離器濾芯更換,拆開快開盲板時(shí),也發(fā)現(xiàn)過浮動(dòng)唇形橡膠密封圈出現(xiàn)較小的、單個(gè)鼓泡現(xiàn)象,一旦存在這種現(xiàn)象損傷的密封圈就不能再繼續(xù)使用。但這次失效密封圈上的鼓泡,比以往見到的鼓泡大且數(shù)量多,有明顯的快速氣體減壓現(xiàn)象。快速氣體減壓通常稱為爆炸性減壓[7-10],能在能源、石油和天然氣行業(yè)中以及高壓工藝流程的高速釋放加壓氣體時(shí)出現(xiàn)，并導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部的橡膠密封圈失效。

從浮動(dòng)唇形橡膠密封圈的損壞情況來(lái)看,橡膠和彈簧都發(fā)生了損壞。但是損壞的順序并不清楚,經(jīng)咨詢浮動(dòng)唇形橡膠密封圈設(shè)計(jì)方，了解到如果橡膠先起泡造成橡膠失效,由于缺乏橡膠的貼合支撐,彈簧就會(huì)彎曲并擠進(jìn)快開盲板和分離器封頭之間的間隙,最終造成密封失效;如果彈簧先失效,由于沒有彈簧支承,浮動(dòng)唇形橡膠密封圈也會(huì)很快隨之失效。彈簧先失效一般只發(fā)生在密封圈安裝對(duì)中不齊的情況下,主要集中于快開盲板豎直安裝的臥式容器上;對(duì)于密封圈垂直安裝的立式容器幾乎不會(huì)發(fā)生,所以從損壞情況初步判斷是橡膠先失效引起整個(gè)浮動(dòng)唇形橡膠密封圈失效。

3 浮動(dòng)唇形橡膠密封圈失效原因分析

3.1 材質(zhì)

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員調(diào)查發(fā)現(xiàn),某高含硫氣田集氣站原料氣過濾分離器此次失效浮動(dòng)唇形橡膠密封圈材質(zhì)為氫化丁睛橡膠(HNBR)。將失效浮動(dòng)唇形橡膠密封圈以及同批次采購(gòu)的未使用浮動(dòng)唇形橡膠密封圈送至某酸性油氣田材料評(píng)價(jià)與腐蝕控制中心,對(duì)其進(jìn)行材質(zhì)、硬度和H2S環(huán)境測(cè)試。

3.1.1 化學(xué)成分分析

分別在失效浮動(dòng)唇形橡膠密封圈以及同批次采購(gòu)的未使用浮動(dòng)唇形橡膠密封圈隨機(jī)取樣,根據(jù)GB/T 6040—2002《紅外光譜分析方法通則》方法,對(duì)樣本經(jīng)溶劑洗泡、烘干、裂解后進(jìn)行紅外光譜分析,結(jié)果顯示失效浮動(dòng)唇形橡膠密封圈以及同批次采購(gòu)的未使用浮動(dòng)唇形橡膠密封圈材質(zhì)均為氫化丁晴橡膠(HNBR)。

3.1.2 硬度測(cè)試

硬度測(cè)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(jì)測(cè)定壓痕硬度(邵氏硬度)》。對(duì)浮動(dòng)唇形密封圈部分取樣,由于厚度不符合測(cè)試要求,因此切取6.3 mm高的密封圈短節(jié),分別標(biāo)記樣品1#、2#和3#，在斷面進(jìn)行硬度測(cè)試,然后在溫度23.2 ℃、濕度54%環(huán)境中放置1 h,再使用邵氏硬度計(jì)測(cè)試浮動(dòng)唇形密封圈硬度。由于受到成型浮動(dòng)唇形密封圈試樣尺寸的限制,按標(biāo)準(zhǔn)要求測(cè)試點(diǎn)和邊沿距離不低于9 mm,實(shí)際距離約2 mm,測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 浮動(dòng)唇形橡膠密封圈硬度測(cè)試表

從表1可以看出,失效浮動(dòng)唇形橡膠密封圈相對(duì)同批次未使用浮動(dòng)唇形橡膠密封圈硬度有所增加,平均值增加10 HA。

3.1.3 H2S環(huán)境測(cè)試

根據(jù)NACE TM 0296—2014《酸性氣體環(huán)境的彈性材料標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》規(guī)定,對(duì)試驗(yàn)前后樣本的外觀、質(zhì)量變化、硬度和壓縮永久變形等指標(biāo)變化進(jìn)行測(cè)試,以測(cè)試其在H2S環(huán)境中的性能。測(cè)試結(jié)果顯示,外觀無(wú)明顯變化,質(zhì)量變化百分率為4.79%,邵氏硬度平均值減小6.6 HA,壓縮永久變形試樣在試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)樣本表面輕微鼓泡。

模擬現(xiàn)場(chǎng)介質(zhì)、工況條件進(jìn)行樣本的浸泡試驗(yàn),樣本取出時(shí),采取每分鐘2 MPa速度進(jìn)行泄壓,對(duì)同批次未使用浮動(dòng)唇形橡膠密封圈樣本外觀、硬度和壓縮永久變形等指標(biāo)在試驗(yàn)前后變化進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示,外觀無(wú)明顯變化,邵氏硬度平均值增加9 HA,壓縮永久變形百分率平均值為28%。

根據(jù)材質(zhì)、硬度和H2S環(huán)境測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果,分析認(rèn)為送檢的浮動(dòng)唇形橡膠密封圈(包括失效的和未使用的同批次浮動(dòng)唇形橡膠密封圈)經(jīng)紅外光譜測(cè)試為氫化丁晴橡膠(HNBR)材質(zhì),浮動(dòng)唇形橡膠密封圈失效的主要原因是氣體減壓造成,材質(zhì)與H2S環(huán)境的不適應(yīng)促進(jìn)了浮動(dòng)唇形密封圈的鼓泡和內(nèi)部開裂。

3.2 采購(gòu)

查閱該批次浮動(dòng)唇形橡膠密封圈采購(gòu)記錄,由第三方買家采購(gòu),建議的供貨商為原料氣過濾分離器生產(chǎn)廠家。該浮動(dòng)唇形橡膠密封圈實(shí)際由快開盲板生產(chǎn)廠家監(jiān)造,設(shè)計(jì)、制造分別為不同廠家。檢查還發(fā)現(xiàn)該批次浮動(dòng)唇形橡膠密封圈沒有質(zhì)量報(bào)告、產(chǎn)品合格證，以及相應(yīng)測(cè)試報(bào)告等資料,無(wú)法確定質(zhì)量問題。

3.3 儲(chǔ)存

通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,該批次浮動(dòng)唇形橡膠密封圈從收貨后一直保存在密封容器中,存放于集氣站配備的帶空調(diào)庫(kù)房?jī)?nèi),直至其被領(lǐng)出用于現(xiàn)場(chǎng)安裝。浮動(dòng)唇形橡膠密封圈暴露于紫外線的時(shí)間有限,沒有證據(jù)證明現(xiàn)有現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)存條件會(huì)影響浮動(dòng)唇形橡膠密封圈質(zhì)量。

3.4 安裝

浮動(dòng)唇形橡膠密封圈如果安裝操作不當(dāng)[11-12],例如密封面臟污、存在缺陷、浮動(dòng)唇形橡膠密封圈在安裝過程中受到擠壓等,均會(huì)導(dǎo)致浮動(dòng)唇形橡膠密封失效。從安裝操作記錄、現(xiàn)場(chǎng)詢問和對(duì)損壞浮動(dòng)唇形橡膠密封圈的檢查中沒有發(fā)現(xiàn)安裝操作過程中存在任何問題,且如果安裝中造成浮動(dòng)唇形橡膠密封圈發(fā)生擠壓,產(chǎn)生損壞缺陷,那么安裝完成后在原料氣壓力7.7 MPa測(cè)試過程中,就會(huì)發(fā)生浮動(dòng)唇形橡膠密封失效引起泄漏,而不是出現(xiàn)在正常使用一段時(shí)間后，因此,排除與安裝有關(guān)的可能。

3.5 工藝操作

工藝操作導(dǎo)致快速氣體減壓[13-15],這種效應(yīng)發(fā)生于帶壓氣體迅速釋放時(shí),造成許多小氣泡從浮動(dòng)唇形橡膠密封圈內(nèi)部產(chǎn)生,導(dǎo)致浮動(dòng)唇形橡膠密封失效。

查閱工藝操作記錄,此次失效浮動(dòng)唇形橡膠密封圈在安裝后經(jīng)歷了4次卸壓、升壓操作,在最后1次卸壓、升壓 7 d 后,浮動(dòng)唇形橡膠密封圈失效。原料氣過濾分離器封頭快開盲板從安裝浮動(dòng)唇形橡膠密封圈開始至其失效,期間并未進(jìn)行過開啟,根據(jù)某酸性油氣田材料評(píng)價(jià)與腐蝕控制中心的測(cè)試報(bào)告顯示,無(wú)法排除快速氣體減壓的可能性。

4 改進(jìn)措施

4.1 更新采購(gòu)收貨流程

收貨部門需要對(duì)貨物進(jìn)行基本的質(zhì)量驗(yàn)收,在無(wú)基本質(zhì)量證明的情況下,應(yīng)不予入庫(kù)。在貨品無(wú)相關(guān)質(zhì)量技術(shù)要求的情況下有權(quán)進(jìn)行咨詢或不予采購(gòu)。如有質(zhì)量要求,則需供貨商提供相關(guān)質(zhì)量證明材料以及測(cè)試報(bào)告;如無(wú)質(zhì)量要求,則請(qǐng)相關(guān)技術(shù)人員進(jìn)行確認(rèn)。

4.2 優(yōu)化操作

針對(duì)工藝流程需要對(duì)原料氣過濾分離器進(jìn)行卸壓、升壓操作[16-18]，提出優(yōu)化工藝操作：一是優(yōu)化流程,盡量減少卸壓、升壓次數(shù);二是制定標(biāo)準(zhǔn)卸壓操作程序,控制降壓速率。

4.3 材質(zhì)優(yōu)化

應(yīng)選擇更適合現(xiàn)場(chǎng)工況的橡膠密封圈材質(zhì)[19-20],參照GB/T 34903.2—2017《石油、石化與天然氣工業(yè)與油氣開采相關(guān)介質(zhì)接觸的非金屬材料第2部分：彈性體》表C.1常用彈性體材料的特性,根據(jù)浮動(dòng)唇形橡膠密封圈使用工況,選擇氟橡膠材質(zhì)(FKM)；同時(shí)要求浮動(dòng)唇形橡膠密封圈供應(yīng)商應(yīng)參照該標(biāo)準(zhǔn)附錄A規(guī)定進(jìn)行老化試驗(yàn),附錄B規(guī)定進(jìn)行快速氣體減壓測(cè)試,并提供相應(yīng)測(cè)試報(bào)告。

5 結(jié)論

浮動(dòng)唇形橡膠密封圈一旦失效,就會(huì)導(dǎo)致原料氣過濾分離器快開盲板密封發(fā)生高含硫原料氣泄漏,造成停產(chǎn)事件,如不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)處理泄漏,還可能導(dǎo)致事件擴(kuò)大、惡化。引起浮動(dòng)唇形橡膠密封圈失效的原因很多,浮動(dòng)唇形橡膠密封圈材質(zhì)的選擇、制造質(zhì)量、現(xiàn)場(chǎng)安裝、工藝操作等任何環(huán)節(jié)發(fā)生問題,都會(huì)導(dǎo)致浮動(dòng)唇形橡膠密封圈密封失效。需要從多方面、多角度去發(fā)現(xiàn)問題并及時(shí)解決,同時(shí)應(yīng)不斷總結(jié)使用經(jīng)驗(yàn)、改進(jìn)設(shè)計(jì)選材、維護(hù)保養(yǎng)方法,提高管理水平。