浮動唇形橡膠密封圈失效分析

楊 林 林萬洲 胡 吉 何培東 李 宏

中國石油西南油氣田公司川東北作業分公司, 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外進口設備,結構型式為立式固定壓力容器,屬于第Ⅱ類中壓容器,作用是進一步過濾分離從井場來的經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。原料氣過濾分離器頂部封頭采用快開盲板結構,密封圈采用浮動唇形橡膠密封圈。在新近采購的浮動唇形橡膠密封圈使用一段時間后,密封圈失效導致了原料氣泄漏,對集氣站正常的生產運行，以及設備、人員的安全產生了嚴重的影響。本文通過對浮動唇形橡膠密封圈泄漏原因進行分析,提出優化、改進浮動唇形橡膠密封圈材質的措施。

1 浮動唇形橡膠密封圈密封原理

浮動唇形橡膠密封圈是一種具有微量浮動功能的自緊式密封圈結構[1-6],見圖1。當容器內部沒有介質壓力時,密封圈唇口靠自身結構、彈性貼緊快開盲板密封面,實現初始密封,其預緊力由快開盲板安裝到位后密封圈唇口的過盈量產生;當原料氣進入容器并升壓時,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,并隨著容器內部壓力的增加而增強,骨架彈簧在受壓張緊后產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,原料氣通過密封圈圓周均布的6個平壓孔進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,能夠起到補償快開盲板與鎖環間隙的作用。

圖1 浮動唇形橡膠密封圈結構圖Fig.1 Schematic diagram of floating lip rubber seal ring

2 浮動唇形橡膠密封圈損壞情況

對從原料氣過濾分離器拆下的失效浮動唇形橡膠密封圈進行目視檢查,發現密封圈發生斷裂,在整個密封圈圓周方向,包裹在橡膠內部的骨架彈簧已與密封圈脫落分離,有1處發生斷裂,密封圈上有多處鼓泡。在做好安全防護后,刺破其中1個鼓泡,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 浮動唇形橡膠密封圈損壞情況照片Fig.2 Damage of floating lip rubber seal ring

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

從浮動唇形橡膠密封圈的損壞情況來看,橡膠和彈簧都發生了損壞。但是損壞的順序并不清楚,經咨詢浮動唇形橡膠密封圈設計方，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,彈簧就會彎曲并擠進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,浮動唇形橡膠密封圈也會很快隨之失效。彈簧先失效一般只發生在密封圈安裝對中不齊的情況下,主要集中于快開盲板豎直安裝的臥式容器上;對于密封圈垂直安裝的立式容器幾乎不會發生,所以從損壞情況初步判斷是橡膠先失效引起整個浮動唇形橡膠密封圈失效。

3 浮動唇形橡膠密封圈失效原因分析

3.1 材質

經現場技術人員調查發現,某高含硫氣田集氣站原料氣過濾分離器此次失效浮動唇形橡膠密封圈材質為氫化丁睛橡膠(HNBR)。將失效浮動唇形橡膠密封圈以及同批次采購的未使用浮動唇形橡膠密封圈送至某酸性油氣田材料評價與腐蝕控制中心,對其進行材質、硬度和H2S環境測試。

3.1.1 化學成分分析

分別在失效浮動唇形橡膠密封圈以及同批次采購的未使用浮動唇形橡膠密封圈隨機取樣,根據GB/T 6040—2002《紅外光譜分析方法通則》方法,對樣本經溶劑洗泡、烘干、裂解后進行紅外光譜分析,結果顯示失效浮動唇形橡膠密封圈以及同批次采購的未使用浮動唇形橡膠密封圈材質均為氫化丁晴橡膠(HNBR)。

3.1.2 硬度測試

硬度測試過程具體方法參考標準GB/T 2411—2008《塑料和硬橡膠使用硬度計測定壓痕硬度(邵氏硬度)》。對浮動唇形密封圈部分取樣,由于厚度不符合測試要求,因此切取6.3 mm高的密封圈短節,分別標記樣品1#、2#和3#，在斷面進行硬度測試,然后在溫度23.2 ℃、濕度54%環境中放置1 h,再使用邵氏硬度計測試浮動唇形密封圈硬度。由于受到成型浮動唇形密封圈試樣尺寸的限制,按標準要求測試點和邊沿距離不低于9 mm,實際距離約2 mm,測試結果見表1。

表1 浮動唇形橡膠密封圈硬度測試表

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

3.1.3 H2S環境測試

根據NACE TM 0296—2014《酸性氣體環境的彈性材料標準試驗方法》規定,對試驗前后樣本的外觀、質量變化、硬度和壓縮永久變形等指標變化進行測試,以測試其在H2S環境中的性能。測試結果顯示,外觀無明顯變化,質量變化百分率為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后發現樣本表面輕微鼓泡。

模擬現場介質、工況條件進行樣本的浸泡試驗,樣本取出時,采取每分鐘2 MPa速度進行泄壓,對同批次未使用浮動唇形橡膠密封圈樣本外觀、硬度和壓縮永久變形等指標在試驗前后變化進行測試。測試結果顯示,外觀無明顯變化,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%。

根據材質、硬度和H2S環境測試試驗結果,分析認為送檢的浮動唇形橡膠密封圈(包括失效的和未使用的同批次浮動唇形橡膠密封圈)經紅外光譜測試為氫化丁晴橡膠(HNBR)材質,浮動唇形橡膠密封圈失效的主要原因是氣體減壓造成,材質與H2S環境的不適應促進了浮動唇形密封圈的鼓泡和內部開裂。

3.2 采購

查閱該批次浮動唇形橡膠密封圈采購記錄,由第三方買家采購,建議的供貨商為原料氣過濾分離器生產廠家。該浮動唇形橡膠密封圈實際由快開盲板生產廠家監造,設計、制造分別為不同廠家。檢查還發現該批次浮動唇形橡膠密封圈沒有質量報告、產品合格證，以及相應測試報告等資料,無法確定質量問題。

3.3 儲存

通過現場調查,該批次浮動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庫房內,直至其被領出用于現場安裝。浮動唇形橡膠密封圈暴露于紫外線的時間有限,沒有證據證明現有現場儲存條件會影響浮動唇形橡膠密封圈質量。

3.4 安裝

浮動唇形橡膠密封圈如果安裝操作不當[11-12],例如密封面臟污、存在缺陷、浮動唇形橡膠密封圈在安裝過程中受到擠壓等,均會導致浮動唇形橡膠密封失效。從安裝操作記錄、現場詢問和對損壞浮動唇形橡膠密封圈的檢查中沒有發現安裝操作過程中存在任何問題,且如果安裝中造成浮動唇形橡膠密封圈發生擠壓,產生損壞缺陷,那么安裝完成后在原料氣壓力7.7 MPa測試過程中,就會發生浮動唇形橡膠密封失效引起泄漏,而不是出現在正常使用一段時間后，因此,排除與安裝有關的可能。

3.5 工藝操作

工藝操作導致快速氣體減壓[13-15],這種效應發生于帶壓氣體迅速釋放時,造成許多小氣泡從浮動唇形橡膠密封圈內部產生,導致浮動唇形橡膠密封失效。

查閱工藝操作記錄,此次失效浮動唇形橡膠密封圈在安裝后經歷了4次卸壓、升壓操作,在最后1次卸壓、升壓 7 d 后,浮動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唇形橡膠密封圈開始至其失效,期間并未進行過開啟,根據某酸性油氣田材料評價與腐蝕控制中心的測試報告顯示,無法排除快速氣體減壓的可能性。

4 改進措施

4.1 更新采購收貨流程

收貨部門需要對貨物進行基本的質量驗收,在無基本質量證明的情況下,應不予入庫。在貨品無相關質量技術要求的情況下有權進行咨詢或不予采購。如有質量要求,則需供貨商提供相關質量證明材料以及測試報告;如無質量要求,則請相關技術人員進行確認。

4.2 優化操作

針對工藝流程需要對原料氣過濾分離器進行卸壓、升壓操作[16-18]，提出優化工藝操作：一是優化流程,盡量減少卸壓、升壓次數;二是制定標準卸壓操作程序,控制降壓速率。

4.3 材質優化

應選擇更適合現場工況的橡膠密封圈材質[19-20],參照GB/T 34903.2—2017《石油、石化與天然氣工業與油氣開采相關介質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,根據浮動唇形橡膠密封圈使用工況,選擇氟橡膠材質(FKM)；同時要求浮動唇形橡膠密封圈供應商應參照該標準附錄A規定進行老化試驗,附錄B規定進行快速氣體減壓測試,并提供相應測試報告。

5 結論

浮動唇形橡膠密封圈一旦失效,就會導致原料氣過濾分離器快開盲板密封發生高含硫原料氣泄漏,造成停產事件,如不能及時發現處理泄漏,還可能導致事件擴大、惡化。引起浮動唇形橡膠密封圈失效的原因很多,浮動唇形橡膠密封圈材質的選擇、制造質量、現場安裝、工藝操作等任何環節發生問題,都會導致浮動唇形橡膠密封圈密封失效。需要從多方面、多角度去發現問題并及時解決,同時應不斷總結使用經驗、改進設計選材、維護保養方法,提高管理水平。