高温导热油旋转接头应用中的事故分析和预防措施

朱 斌，廖长洋，林晓平，陈杰峰，林建华，郑华婷，严巧珠

高温导热油旋转接头应用中的事故分析和预防措施

朱 斌，廖长洋，林晓平，陈杰峰，林建华，郑华婷，严巧珠

（福建省闽旋科技股份有限公司，福建泉州 362333）

介绍了高温导热油旋转接头在皮革生产设备管道密封中因失效而发生火灾、爆炸及人员伤亡等事故的情况，并从产品结构设计、配对密封材料及产品加工和应用等方面对旋转接头的失效进行了技术分析，针对分析结果，提出了解决和预防措施。

旋转接头；事故分析；预防措施

旋转接头是将流体介质由固定管道输送到旋转或摆转一个角度的管道、设备中的流体动密封装置［1，2］。国内生产旋转接头的厂家很多，同种型号、同种规格的旋转接头会出现很大的价格差，在众多的旋转接头产品中偶尔会出现密封泄漏问题。据2014年国家质监总局发布：2014年压力管道事故共发生12起。事故发生原因主要是管道系统中选用的旋转接头出现问题（产品结构设计、密封材料选用、产品加工、安装、使用及保养等），因此为减少或杜绝事故的发生，对旋转接头应用中的安全隐患进行分析并提出预防措施极其重要。

2 事故案例

2013年某皮革企业因设备管道用高温导热油旋转接头密封失效发生火灾，给企业造成重大损失，经过对事故的调查得知，设备管道内工作压力为 0.7MPa，载体温度为 260℃以上，在运行过程中旋转接头密封部位受损导致高温导热油泄漏，而在旋转接头承接位置的上方刚好是正在运行的一整排电热管，高温导热油滴溅到电热管上造成起火和爆炸。

3 高温导热油旋转接头应用案例的失效分析

导热油旋转接头的性能和使用寿命是多方要素共同作用的结合体，发生火灾的潜在危险来源范围广，针对事故案例介绍的情况，从所用失效高温导热油的结构设计、密封材料的选用及质量、产品加工及连接方式等诸多方面进行技术分析。

3.1 产品结构设计分析

高温导热油旋转接头的基本结构如图1所示，高温导热油旋转接头常见的密封结构形式主要有平面密封、球面密封2种［3，4］。事故案例中的旋转接头采用的是球面密封结构，即通过球面（凹凸球）相互挤压接触面来实现密封，这种形式旋转接头的优点是可自动调节密封，对设备的同心度要求较低，采用双无油轴承，免维护设计；缺点是摩擦阻力相对较大，转速较低，其补偿方式是通过弹簧推动壳体沿轴向后位移进行磨损补偿，摆动空间较大。球面密封的旋转接头容易造成旋转轴密封面刮伤，温度骤升骤降，从而使弹簧疲软或密封部件热变形、支撑环或导向环卡死、主密封件密封渗漏、进出口软管连接处易使壳体的轴向位移受限，导致壳体累积公差造成偏摆引起泄漏等现象。这种结构设计的旋转接头也是常见的一种。

图1 高温导热油旋转接头基本结构示意

3.2 密封配对及选材的分析

主密封是旋转接头的关键部件，密封材料的选型和配对直接影响旋转接头的质量。目前国内旋转接头密封环普遍采用碳石墨材质，由软质的碳石墨密封环与硬质的金属结构相配对，金属表面的硬度应控制在合理的范围之内，高质量的碳石墨环与金属表面的对磨使用效果更好。当然，依据不同的使用工况，许多厂家也会选用硬质合金、碳化硅、氮化硅、氧化铝、铜合金及填充聚四氟乙烯等作为密封环材料，同时，材料的选用要适用于相对应的工作介质，有耐酸耐碱要求的应进行表面抗腐蚀工艺处理，有高温要求的应选用耐高温材质。

以常见的碳石墨密封环为例，图2给出了2种碳石墨密封环被损坏的现象，图2（a）中密封环R面被腐蚀磨损严重，图2（b）中由于介质中含有的杂质或金属元素长期状态下渗入密封环，从而产生刮伤和锈蚀现象。众所周知，碳石墨密封环的好坏决定了旋转接头的使用寿命，但是碳石墨的加工应用普遍存在碳石墨基材粒径粗糙、气孔率高且分布不均匀及不合格率较高，有的抗折、抗压强度达不到技术标准规定的力学性能要求，有的摩擦系数较高，硬度稳定性差，使用寿命波动性较大，当石墨环一旦超过允许使用温度时，其表面会析出树脂，摩擦面附近树脂会发生碳化，使密封面泄漏量增加，造成密封失效。即使是选用进口的碳石墨产品，有时也存在不同程度的上述问题，所以在高温导热油旋转接头的应用中，碳石墨环的质量应引起高度重视。

图2 碳石墨密封环失效形式

辅助密封圈往往选用氟橡胶、丁晴橡胶和全氟醚橡胶等材质，介质从轴套间隙中流出、密封圈屈服变形、化学腐蚀、破裂、粘着、硬化及老化等都是辅助密封圈常见的症状［5］。因此，高温导热油旋转密封圈材料的选用必须与其对应的工况相适应。

事故案例中，高温导热油旋转接头工作时的温度为260℃，最高可达330℃，当在高温又承受压力的情况下，高温导热油旋转接头的机械强度性能急剧下降，密封部位弹性变形较大使其过早失效。在密封处或连接口处应力集中的部位，如果质量不可靠也会出现缝隙造成高温导热油的泄漏。同时，高温导热油具有易燃烧、易泄漏的特性［6～10］，一旦高温导热油泄漏，就容易引起重大安全事故。

3.3 产品加工及连接方式的分析

高温导热油旋转接头零部件加工及配合公差要在合理的误差范围之内，例如高温导热油旋转接头旋转轴两端无油轴承部位容易出现磨损，内管与壳体尾部连接处运转时摆动量加大，内管与旋转轴内壁在运转中碰壁，最终导致密封失效。

高温导热油旋转接头外管通常主要有螺纹连接和法兰连接2种形式，螺纹连接的旋转接头螺距加工不对应，螺纹牙磕碰、破损等都会使旋转轴与用户设备的连接处的密封受到影响。法兰连接的旋转接头具有较好的强度和紧密性，应用广泛，但刚性较差，法兰受力后，法兰盘的截面会发生微小转动，附着的弯曲应力容易使连接处或管壁发生弯曲变形，焊接法兰容易产生较大的焊接变形和残余应力，从而影响旋转接头的承载能力、加工和使用稳定性，焊接质量低劣，焊缝不牢固会导致旋转接头疲劳断裂，造成旋转接头使用寿命下降。

综合以上分析可知，高温导热油旋转接头密封面被刮伤和磨损是造成事故发生的主要原因。如图3所示，旋转轴中间半球体的球面与密封环的R面是关键的密封部位，在旋转运行过程中，由于介质中含有硬质颗粒物杂质导致密封面被刮伤和磨损，从而影响了旋转接头的正常使用，造成高温导热油的泄漏，最终导致案例事故的发生。

图3 旋转接头密封失效示意

4 建议及展望

4.1 旋转接头产品结构设计及密封配对应设计合理

无论是采用平面密封、球面密封的高温导热油旋转接头，在密封结构设计上要从机理上分析，确保密封元件匹配效能的最大化。设计人员也应加强试验的反复验证，多深入市场考察，更好的将理论设计与客户工况结合起来，避免出现因工况不适应、配对或选型错误造成的旋转接头泄漏、超负荷损坏等现象。

4.2 加强从产品加工、检测等方面的质量把关

据了解，国内旋转接头生产企业，有部分企业在经营过程中完全依赖外购件进行组装销售，这就完全失去了对旋转接头内部核心件及关键部位的管控，还有一些企业生产设备、检测设备落后，达不到旋转接头同轴度、平面度、轮廓度和表面粗糙度的要求。

当然，从企业利益出发，降低成本提高利润毋庸置疑，但是制造商在生产制造过程中要加强工艺和设计控制，提高产品加工精度，加强质量检验，提高产品品质。

4.3 正确安装、使用方法建议

安装之前检查旋转接头及相关连接件是否满足规范标准，重点核实轴管旋向、口径以及法兰等部位，安装时金属软管应有足够的运动空间，防止空间受限使旋转接头壳体位移受到了限制，壳体累积公差造成旋转接头的偏摆，导致弹力无法得到有效补偿从而产生泄漏。

旋转接头的使用和维护应及时，防止连接件松动和不正常的磨损，操作者应按使用规程使用，防止旋转接头泄漏事故的发生。日常维护应保持旋转接头辊筒及管道内部的清洁，对于新设备必要时需加过滤器，以避免异物对旋转接头密封件造成的异常磨损；注意避免流通热体介质的旋转接头温度急变，还应注意避免旋转接头空运转现象［11～13］。

4.4 加强用户使用安全意识和安全监督力度

加强安全监督方面的工作力度，定期开展相应的安全操作规程教育和培训。

［1］JB/T8725-2013，中华人民共和国机械行业标准-旋转接头［S］.

［2］张家鑫旋转接头［M］.北京：中国轻工业出版社，1989.

［3］杨勇，游浩浩.旋转接头的安装使用和故障分析［C］.第五届全国流体密封学术会议论文集，2011.

［4］朱斌，朱路，林建华，等.机械密封用碳石墨环现状与展望［J］.流体机械，2012，40（3）：40-43.

［5］吴晓元，，陈忠基，徐广普，等.旋转接头的密封失效形式及防治方法研究［J］.冶金设备，1997（3）：18-23.

［6］郑于贤.导热油锅炉管道潜在的安全隐患及预防措施［J］.机电技术，2011（3）：140-141.

［7］王晓静，马东云，李文艳，等.多晶硅CVD反应器中新型热管的开发与仿真［J］.压力容器，2016，33（8）：13-19.

［8］王峰，宫建国，惠虎.含预拉伸工艺换热器的管板结构的有限元分析［J］.压力容器，2016，33（9）：28-33.

［9］张起侨.过渡段结构对废热锅炉薄管板应力分布的影响［J］.压力容器，2016，33（8）：41-48.

［10］王宪军，李书瑞，胡因洪.锅炉及压力容器用12Cr1MoVR钢板的焊接接头性能研究［J］.压力容器，2016，33（10）：9-15.

［11］朱斌，朱路，汪玉杰，等.新型旋转接头的结构性能及应用研究［J］.液压气动与密封，2014（5）：65-68.

［12］朱斌，林晓平，赖晓荣，等.旋转接头在包装与食品机械中应用的技术特点［J］.包装与食品机械，2015,33（5）.59-62.

［13］朱斌，朱路，林建华，等.旋转接头的选型、安装及维护［J］.中国科技信息，2011（23）.60-61.

Accident Analysis and Preventive Measures in the Application of Hot Oil Rotary Joints

ZHU Bin，LIAO Chang-yang，LIN Xiao-ping，CHEN Jie-feng，LIN Jian-hua，ZHENG Hua-ting，
YAN Qiao-zhu
（Fujian Minxuan Technology Co.，Ltd.，Quanzhou 362333，China）

This article describes high temperature hot oil rotary joint in the leather production equipment pipeline，because of sealing failure，fire，explosion and casualties and other accidents.For the failure of rotating joint，the technical analysis of product structure design，matching sealing material，product processing and application is carried out，and the solutions and pr eventive measures are put forward according to the analysis results.

rotary joint；accident analysis；preventive measures

TH137

A

10.3969/j.issn.1005-0329.2017.11.011

1005-0329（2017）11-0058-03

2016-11-07

2017-07-06

朱斌（1968-），男，高级工程师，主要从事旋转接头和相关机械密封的研发制造及标准化，通讯地址：362333福建南安市丰州镇桃源工业区莲花路1100号，E-m ail：345590670@qq.com。