流体泄漏－该怎么办？

John C. Cox, 业务开发经理
俄亥俄州索伦，世伟洛克公司


泄漏使各行各业每年损失上百万美元。 举个例子，如果某台用气 100 psig、耗电成本为每千瓦时 6 美分 (kWh) 的设备有几处小的泄漏，可能每年损失 22,000 美元以上。 如果延迟更换有泄漏的价值为 100 美元的疏水阀每周可浪费 50 美元，平均一台设备在整个运转过程中有好几百个疏水阀，则有泄漏的疏水阀每年可耗费上百万美元。 除了浪费资金，受忽视的泄漏可导致停工、影响产品质量、污染环境甚至造成伤害等情况发生。

泄漏原因
系统振动、脉动和热循环，都是导致化学处理系统泄漏的常见原因。 假定任何一种管接头都有可能泄漏，不论使用的是何种卡套管或公称管，特别是在出现机械振动的情况下。 这种“振动疲劳”是不可避免的，并会因接头材料构造中的冶金学性质不一、侧面载荷对连接产生的不适当应力或其它系统设计特点，或者仅仅是安装不当而更加恶化。

这些结论表示样本上的交变应力振幅越大，失效也越快。 应力强化因素与接头有关，表明失效开始加重，这与紧固时管道或管线上接头的凹槽或切口深度有关。


防止泄漏
正确部件的选择和整个系统的设计以及产品技术，在开发高能有效的流体处理系统时通常被忽视，而这些恰恰是重要的影响因素。造成泄漏的两个最关键方面是：

• 整个系统中连接工艺管道时所用的连接设备类型
• 安装和维护人员的知识水平和实际经验

尽管理想的连接－在每个系统参数要求下提供完全密封的连接－实际上不存在，然而仍值得对各种可用的管接头类型进行评估，以帮助防止系统泄漏。 除此之外，不管选用何种连接类型，正确、有效的能源管理系统必须要优先考虑。 采用这样一种能源管理计划，在维持有效的流体处理系统中是一个非常重要的因素，将在后面进行讨论。

焊接管接头需要考虑的因素
最能耐受振动和疲劳的管接头是公称管对焊接头。对振动和疲劳的耐受性由接头的强度和完整性而定。 然而，公称管对焊接头确实有一些缺点。进行连接操作所必需的焊接设备和专门培训非常昂贵。 另外，将公称管对焊接头安装在系统上所需的时间要多于其它接头的安装。 安装人员所必需的知识水平也是复杂因素中的一个。 必须进行全面培训才能确保焊接接头的质量。 最后，要求容易接近流体系统管道进行维护，除非维护人员打算用焊炬或钢锯对系统管线进行切割。


螺纹管接头需要考虑的因素
在工艺流体处理系统中一种最普通的接头类型是螺纹管接头。

NPT 接头
自从要将管子连接起来开始，作为工业应用中的一种重要装置，NPT (美国标准管螺纹) 接头在外接端口和内接端口都有锥形螺纹。 这种密封其实是在连接金属面之间，以及锥形螺纹两侧、齿顶和齿根之间产生的一种“挤压密封”（图2）。 由于亲和性金属自身的原因，特别是在接合碳钢或不锈钢时，在安装过程中可能会出现金属卡住和撕开现象。 在连接 NPT 螺纹接头时，必须在外螺纹上涂抹润滑剂或使用带有润滑剂的密封材料，防止损坏。 常用的螺纹密封材料是 PTFE 密封带。

在使用密封带润滑或填充螺纹齿顶、齿根和两侧的空隙时，必须考虑以下因素：

• 在螺纹上使用密封带时，多数密封带只要在外螺纹上绕两到三圈即可。
• 切勿将密封带裹住第一圈螺纹末端，因为密封带可能会碎裂进入流体处理系统中，损坏系统部件的内部。
• 顺时针缠绕密封带，同时观察接头末端的螺纹。 如果缠绕方向不对，可能导致密封带润滑不当，产生泄漏。
• 切掉多余的密封带，沿螺纹将密封带自由端拉紧，以便与螺纹保持一致。 然后在重叠的地方用拇指和食指将密封带压紧。 如果螺纹齿顶穿透了密封带，可能会发生卡住现象，因此要再使用一些密封带。
• 如果螺纹需要拆卸维护，确保在复装螺纹接头前清除所有多余的密封带，使用新胶带。 先前安装时未清理的密封带，可能成为后续装配中的一个泄漏点。
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SAE 直螺纹接头
另外一种通用的螺纹类型是 SAE (美国汽车工程师协会) 直螺纹。 SAE 直螺纹是机械类螺纹，只用来将接头固定到位；SAE螺纹没有密封功能。 密封功能是由弹性材料提供的，一般在外螺纹的底部（图3）。 弹性材料压在靠近内螺纹入口处的凸起或平坦面上。 这种螺纹密封在使用 NPT 接头时有很大优势，对维护人员来说在接头的维护、接近和复装方面非常容易。 

流体处理系统中使用的其它螺纹类型包括 ISO 平行螺纹和锥形螺纹、NPTF 干密封螺纹和 37º AN 扩口接头。

ISO 平行螺纹和锥形螺纹接头
ISO (国际标准化组织) 螺纹接头与 NPT 锥形螺纹接头类似，依靠螺纹表现密封特性。SAE 直螺纹利用弹性材料、粘合的金属垫圈，或者垫片作为备用密封。

NPTF 美国标准公称管锥形干密封接头
干密封螺纹齿底比齿顶截得更平，因此会有一个干涉配合使齿根挤压配对螺纹的齿顶。支撑此 螺纹概念的原理是指在接合螺纹的齿顶、齿根和两侧，总会有一个接合面，可不用润滑而进行密封。 令人遗憾的是，因为一些金属比如碳钢和不锈钢的内在属性，这种不进行润滑的密封可能会发生卡死现象，使初次安装变得非常困难，复装更不可能。

37º AN 扩口接头
这些接头使用直的机械螺纹，类似于 SAE 和 ISO 直螺纹或平行螺纹设计。 接头的末端加工成 37º 外扩口形状，与内螺纹接口底部上的内扩口表面相配合，因此这些直螺纹只能用来进行固定操作。 这种类型的接头多用在液压应用中，通常作为 AN [美国陆军部 – 海军部] 接头用。

螺纹接头的不利方面
尽管可以选择任何类型的螺纹接头应用到流体系统行业中，但在工艺管线或仪表管线中使用也有其内在的不利因素。 因为管道系统内表面的摩擦产生压降或压头损失，可能使这种应用操作不能达到必需的流体特性。 这种压降效果可通过雷诺数结合内部几何条件的应用来进行解释。

雷诺数 (Re)，如图所示 (图 4)，等于卡套管或公称管的内径乘以平均流体速度 [V]，再乘以流体密度 [p]，然后除以动力粘度 [µ]。 内摩擦系数通过第一次确定的管道中流体流动的雷诺数进行计算。 然后通过将管道表面的相对粗糙度与雷诺数结合在一起确定摩擦系数。 用该公式进行的试验表明，由于卡套管和公称管内表面粗糙度的不一致，公称管中的流体一般更湍动，需要更大的压降。 另外如果要改变公称管的方向，必须使用 45º or 90º 弯头。 弯头利用突然的内径变化和粗边，可增加湍动甚至更大的压降。 尽管卡套管系统可使用定向弯头，但卡套管的可弯曲性提供了一个更平滑的转换，降低压降值和湍动。


卡套管接头需要考虑的因素
在进行连接时卡套管也提供了多个接头选择：

压力接头
压力接头是最先开发出来的一种卡套管接头，由三个部件组成： 螺母、接头本体和垫环或卡套。 这种设计利用了管子上的摩擦夹持力（图5）。 一个好处就是在装配时不需要使用特殊的工具，不象公称管连接那样，需要使用螺纹梳刀和模具装配螺纹。 另外，这种密封可能是（但不总是）线形，能在一个小面积上产生一个强大的力，这是一种最有效的金属与金属之间的密封。 然而，这种接头的不利之处是：因为只有摩擦夹持力，所以只能承受最小的压力，并且其可用的材料很有限（多数用黄铜），在有振动、热循环和其它动力环境的系统中所发挥的性能通过不是很好。

扩口式接头
扩口接头是下一种改进型的卡套管接头设计。 与原先的压力接头相比，扩口接头可处理更高压和更广泛的系统参数，其制造材料多种多样，且密封区更大（图6），在维护时可进行复装。

这种接头由三个部件组成： 螺母、套管和带扩口或锥形端的本体。 某些情况下，套管可自行扩口，套管通常使用薄壁或软管材料。 这种接头的不利方面是拆卸时要逆向操作。 需要特殊的扩口工具对卡套管进行加工用于安装。 另外，管件扩口可能在扩口底部产生应力集中，或者在薄的或脆性管子上产生轴向裂纹。 如果使用设计不好的旋转式割管器或效率低的钢锯对管件切割不均时，会产生不均匀的密封面。

咬合式接头
咬合式接头不需要使用特殊工具进行安装，能承受比原先的压力接头更大的压力等级。 这种接头设计包括一个螺母、接头本体和带锐利前缘的卡套，卡套与管件外壳咬合以达到固定效果。 卡套和接头本体锥螺纹之间长的深表面上，可使用另一个密封（图7）。 咬合式接头通常是单卡套设计。 这就要求卡套前端要执行两个功能： 咬合管子固定，以及为接头本体提供一个密封件，单单这一个动作可能不能很好得完成这一个或两个功能。 将这两个功能分开的（第一个进行密封，第二个固定管件）双卡套可以解决这个问题，因为将这两个功能分开可以允许在设计时专门考虑每个元件所预期的功能。

机械抓紧式接头
机械抓紧式接头通常是双卡套结构。 这种接头也可利用一种活动负载的密封特性。 当接头通过将卡套管和接头本体的表面进行压紧形成密封时，接头安装弹簧给前卡套提供负载。 后卡套的径向夹箍或固定操作，将管件从卡套前端的固定点向外一段距离处进行抓紧，以增加抗振性。 这种设计相对于咬合式接头的另外一个好处是：安装后接头的拆卸和复装可更顺利地进行操作，而不损坏接头部件或管件。 另外，一些制造商会提供检测规，以确保初次安装正确而且足够。 卡套管接头，特别是较硬材质比如不锈钢接头未拧紧，是造成卡套管接头泄漏的一个主要原因。


能源管理计划
除了为系统选择适当的接头之外，工艺系统的能源管理在维护有效的流体处理系统中也是一个重要因素。 因为要考虑的能源管理计划有许多类型，我们将从以下角度进行讨论并提出建议：

• 工艺管路和仪表管线
• 工厂公用设施（压缩气体、热水、蒸汽和冷却水）
• 液压系统
  

化学工业在美国制造产业中是第二大能源用户。 能源成本已将近占销售值的 9%。 要抓住机会节约能源及采用节约成本的措施，可考虑通过有经验的机构在您的公司内进行能源审核。

在降低能耗和成本方面定期进行维护是一个重要方面。 例如可考虑压缩气体泄漏、过滤器堵塞以及暖气泄漏进入压缩机等方面。 蒸汽系统审核员已经记录证实，在某个给定的时间，某家代表工厂未采取到位的预防性、预见性的维护计划，将近有 28% 的疏水阀失效。 为了较大地提高对蒸汽的利用，应对疏水阀进行适当的测试，以确定是否泄漏并进行维修，必要时可更换工作不正常的疏水阀。

另外一项重要的定期维护是检查压缩气体系统中是否有漏气。 对不标准的系统可进行多达 1000 个检查点的检查，这样可确定 24 到 30% 的泄漏。 将这个统计结果与公司每千瓦时的成本进行比较，最终确定损失是多少。 可建立节能效益偿还投资方式（performance contract）来解决这一问题。 研究表明，某些制造商正确安装了接头可将泄漏率降低到 3% 以下。

审核涵盖了能源供应和消耗，包括对过去几年的能源账单进行仔细的分析。 能源供应所考虑的因素将显示当前价格机制以及其它供应商的成本。 随着这项工作的持续进行，节省能源的机会将开始显现。 能源和成本的节约计算应当包括实施时的的预估成本。

例证： 可检测的卡套管接头
对一家浆纸公司做的一项专门能源调查表明，其气动系统有 23% 的泄漏。 当安装可检测的卡套管接头后，泄漏率降为 0。 一般地，一家提供气体（非流体）服务的工厂，在其某个特定区域通常要对所有的接头进行泄漏测试。 一旦发现了泄漏，可使用 6 个可检测卡套管接头提高设备的可靠性和节省能源。

这仅仅是一个如何集中精神选择正确的部件、整个系统设计和能源管理计划，以帮助开发高能有效的流体处理系统的例子。

如果您要进行能源审核，并需要其它信息，请通过 john.cox@swagelok.com联系 John Cox。 想了解更多信息和资源，请访问美国节能联盟 (Alliance to Save Energy) 网页 www.ase.org。