低溫旋轉接頭改進及策略研究

鞠培建

（青島海灣液體化工港務有限公司，山東 青島 266409）

旋轉接頭材質要考慮低溫介質對其本身的適用性，中（高）合金鋼主要有 6%Ni鋼、9%Ni鋼、36%Ni鋼，其中9%Ni鋼是應用較廣的深冷用鋼，這類高鎳鋼的使用溫度可低至-196℃。低溫鋼主要應具的性能是：韌性－脆性轉變溫度低于使用溫度；強度滿足使用受力工況；在使用溫度下組織結構穩定強；在流體管道中具有極低的磁導率、為滿足低溫可言及有毒介質密封性冷收縮率應較低，鋼材在低溫狀態下的結構組織的決定其密封面工作狀態下的行位公差變化，進而影響密封性。

1 低溫旋轉接頭應用的現狀分析

1.1 低溫工況下的變化

LNG溫度為-162℃，液態乙烯溫度為-104℃，滿足超低溫工況的鋼牌號有304、304L、316、316L等。304、304L、316、316L這幾種不銹鋼在常溫狀態下是亞穩定狀態，在快冷超低溫環境狀態下，會因晶格畸變而發生向馬氏體轉變，影響組織的穩定，即會變硬。因此，304不銹鋼用于超低溫狀態時，為避免304不銹鋼在超低溫狀態下向馬氏體轉變，預先進行深冷處理。因此，經深冷處理的304不銹鋼應用于LNG和低溫液態乙烯介質設備可以滿足要求。在-162℃工況下，304不銹鋼延伸率和斷面收縮率并未發生明顯降低的現象，輸料臂與物料直接接觸部分的管道及旋轉接頭外圈處于靜止狀態，旋轉接接頭轉動部分與法蘭接觸屬于軟密封，運行過程中不會對鋼材施加能夠導致金相組織變換和塑性變形的力，而且旋轉接頭是隨船體升降及涌浪走位產生的較慢的小幅度往返運動。因此，材料塑性變形主要對與輸送介質的硬密封部分產生影響。

1.2 出現故障分析

目前，旋轉接頭出現的主要故障是旋轉接頭密封面點蝕及滾珠滾道的磨損疲勞。

密封面點蝕會導致主密封泄漏，主密封屬于動密封，若點蝕出現在密封唇范圍內，密封圈無法補償點蝕產生的間隙，進而產生泄漏；法蘭連接密封面屬于經密封，點蝕對于靜密封點泄漏影響較小，靜密封點出現點蝕時，其密封圈可以補償其點蝕量，一般不會出現泄漏。

旋轉接頭點蝕情況如圖1所示密封面點蝕。

圖1 密封面點蝕

旋轉接頭的滾珠滾道磨損疲勞，在裝卸作業過程中，旋轉接頭滾珠滾道出現磨損（如圖2所示），表面疲勞脫落，鋼材低溫脆化后表面受切向力影響脫落，隨滾珠在滾道中旋轉，當滾道表面脆化后在擠壓力作用下，塊狀碎屑從表面脫落（如圖3所示），碎屑隨滾珠轉動并摩擦、加上溫度變化等因素產生磁性，在滾道及滾珠表面積聚，導致滾珠在滾道中轉動和移動受阻，最終導致卡死，旋轉接頭無法轉動，在外部液壓驅動力作用下，最終將滾珠擠壓破裂，如圖4所示。

圖2 滾道磨損

圖3 磨損碎屑

圖4 鋼珠破裂

滾道內壁出現明顯碎屑，總體表面光潔度已破壞。旋轉接頭材質為1.4418，1.4418本身是一種低溫馬氏體不銹鋼，具有強度高、耐磨耐腐蝕等特性，同時，兼具一定的焊接性能，在特殊工藝條件下會向奧氏體逆變。試驗標明，1.4418馬氏體不銹鋼具有優越的低溫沖擊性能,隨溫度的降低,其沖擊吸收功變化較小，-115℃下的低溫沖擊功出現一次明顯下降，較室溫的沖擊吸收功降低了38.27%，但仍然具有一定的塑性變形特征；在-165℃下1.4418馬氏體不銹鋼發生明顯的韌脆轉變,斷裂機理為典型的解理斷裂。因此低溫旋轉接頭裝配前預先進行深冷處理，此處理工藝溫度梯層規律下降。深冷處理后，在后續低溫工況下使用，奧氏體不再向馬氏體轉變。在裝卸作業過程中，旋轉接頭鋼球外側壁與外部環境接觸，同時，旋轉接頭外側壁中間鋼球隔離，不與物料直接接觸，而且腔體內充滿氮氣并流動，帶走部分冷量，溫度下降較慢，金相組織結構變化較小，表面脆化較輕。如果裝卸作業開始時，設備溫度下降速度較快，內壁溫度急劇下降，導致旋轉接頭滾珠內側壁金相組織結構變化較大，脆性增強，內側壁脆化嚴重，因此，旋轉接頭滾道內側壁脆化較嚴重；外壁與內壁之間通過氮氣隔開，氮氣流動帶走冷量，外壁溫度受溫度輻射影響，溫度高于內壁溫度，脆化程度較內壁要輕，因此，外壁磨損較輕，表面脫落也較輕。

2 整治處理方案

將旋轉接頭完全解體，拆解內、外圈，金加工維修內、外圈滾道，即將內外圈滾道尺寸先車至R8.34，部分內、外圈滾道成型完好，則配裝SΦ16.669的鋼球（材質440C）；部分成型不好，繼續車滾道至R8.74,配裝SΦ17.462的鋼球（材質440C）。修改滾珠塞孔并配做滾珠塞。隨后檢查內、外圈各密封面情況，修磨損壞密封面；超聲波清洗內外圈；組裝內、外圈，測試旋轉接頭氣密性等性能。

維修的旋轉接頭分別更換滾珠（外徑由φ15mm，更換為φ16.669mm和φ17.462mm）滾道重新車削研磨，車削量在0.83～1.23mm。重新組裝后進行常溫氮氣試驗和低溫液氮試驗。

車削加工量及更換滾珠直徑如圖5所示。

圖5 滾道車削量與滾珠直徑關系表

低溫輸料臂出現旋轉接頭轉動卡頓困難，主要原因是滾珠滾道過渡磨損導致的，時間越長磨損量越大。通過對滾道車削研磨加工，達到要求的精度，更換大口徑鋼柱配合滾道。車削后滾道處的壁厚減小，但對總體強度影響較小，滾道

3 優化及方法策略

旋轉接頭從原理上分析，相對轉動的兩部分之間的間隙內低溫狀態下無法形成“油膜”。液態乙烯的溫度在-104℃左右，潤滑油脂在此溫度下均會失效，因此，轉動部分無法形成油膜密封，甚至低溫狀態下造成密封面損傷。如果能形成“油膜”，可以很好地控制泄漏量，否則，無法從根本上消除泄漏，因此只能通過其他措施控制泄漏量。

相對轉動部分的間隙內用內襯不銹鋼骨架的超高分子聚乙烯材料的密封圈進行填充，此材料在低溫狀態下可保證一定的彈性和耐磨性，安裝時，給密封圈施加一定的預緊力，在低溫狀態下可以補償剛才在低溫狀態下產生的形位公差。密封圈外部的腔通過流動的氮氣將剩余泄漏的部分的物料和傳導冷量，通過氣體流動清洗稀釋。目前，低溫旋轉接頭的密封形式是物料主密封、清洗稀釋氮氣密封，后續進一步優化密封，增加物料密封級數，進一步減少物料和冷量損失。

旋轉接頭定期拆解檢查清理，經過維修后旋轉接頭的管道底部變薄，一旦管道或鋼珠卡阻，很容易對滾道壁造成塑性變形破壞，摩擦擠壓產生的碎屑及時清理，防止碎屑摩擦產生磁性導致集聚。

旋轉接頭腔體應持續充氮保護，排除空氣其中的水分，尤其是碼頭靠近海水，空氣中的有含鹽量較高，容易形成電化學腐蝕，導致零部件腐蝕，降低強度，增大轉動阻力。本次維修改進的設備產生損壞的主要原因是設備長時間暴露于高含鹽量的空氣中，內部含鹽水分無法排除，通入低溫液態乙烯后，旋轉接頭腔體內結冰，導致轉動受阻，冰塊堵塞氮氣潤滑孔，導致氮氣流速降低，溫度下降較快導致內部墻體的冷量及時帶走，冰塊長時間與腔體內外壁磨擦導致表面金屬層脫落。因此，增大氮氣潤滑吹掃的孔徑，增大氮氣量有利于冷量的散失，同時，即使部分金屬層脫落布置于堵塞氮氣的進出口。

本次改進，主要是通過車削滾道，降低滾道的粗糙度，未進行焊接處理，焊接后無法控制其熱變形對平行度的影響。更換鋼柱以適應增大的滾道，按照組裝工藝重新進行試驗，試驗后基本上能達到出廠時的使用要求，但以后若再通過此方法進行維修，內外壁減薄，強度進一步降低，將影響整體使用強度。

4 操作工藝控制

低溫設備應注意隔離空氣，因空氣中的水分低溫狀態下會被吸附，形成質地較硬的冰塊，現場設備氮封沖洗腔應持續通氮氣，保持與外部隔離。即使設備停止使用或暫時不用，也應采取必要的氮氣保護。

設備預冷時，嚴格控制預冷工藝，不得快速冷卻。防止急速冷卻時，一方面，旋轉接頭密封面及滾道的形位公差發生較大變化，導致泄漏量增加或滾珠轉動受阻；另一方面，材料雖預先進行了深冷處理處理，但并不能保證預冷速度過快導致金相組織發生不規則的變化，從而改變材料的性能。

5 結語

低溫輸料臂國產化已經逐漸成熟，并在很多碼頭上得到了應用推廣，國產旋轉接頭的密封結構進行了改進，密封性得到改善，關鍵點控制得到提高。但是，制造細節控制上仍有差距，如果在材料上和制造工藝控制上進一步提高，國產設備將完全可以代替進口設備。日常使用過程中，要嚴格按照操作工藝規程進行操作，降低宏觀變形和微觀變形的概率。