平衡式安全閥波紋管開裂原因分析

隋廣洲1,莫燁強(qiáng)1,陳資武,于 洋

(1.嶺南師范學(xué)院,湛江 524048;2.沈陽中科韋爾腐蝕控制技術(shù)有限公司,沈陽 110000)

石油化工企業(yè)靜設(shè)備的失效一直是制約石化行業(yè)長周期發(fā)展的棘手問題。通過分析石化企業(yè)靜設(shè)備的失效現(xiàn)狀和維修手段,并借鑒動(dòng)設(shè)備常用檢測(cè)維修技術(shù),綜合設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)維修案例,構(gòu)建出適合石化企業(yè)靜設(shè)備的狀態(tài)檢測(cè)維修系統(tǒng)[1]。在維修方案決策方面,利用之前的損傷狀態(tài)、損傷診斷和風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果作為維修和再設(shè)計(jì)的決策依據(jù),以實(shí)現(xiàn)靜設(shè)備維修在安全性和經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一作為優(yōu)化目標(biāo),進(jìn)行維修策略的優(yōu)化[2-7]。

波紋管平衡式安全閥在工藝介質(zhì)和安全閥閥蓋之間裝有波紋管。當(dāng)閥蓋與大氣連通時(shí),波紋管能防止背壓作用于彈簧而使得安全閥不能打開,及防止閥內(nèi)彈簧等受到外部介質(zhì)的腐蝕[8]。在實(shí)際運(yùn)行中,常出現(xiàn)由于氯離子腐蝕導(dǎo)致不銹鋼波紋管開裂失效事件,失效特征為出現(xiàn)蜘蛛網(wǎng)狀的脆性開裂[9-13]。

某煉廠安全閥在使用約1 a時(shí),發(fā)現(xiàn)閥內(nèi)波紋管破裂,見圖1。該波紋管材質(zhì)為316奧氏體不銹鋼,接觸介質(zhì)為高溫蒸汽,公稱直徑250 mm,設(shè)計(jì)壓力0.43 MPa,穩(wěn)定壓力0.43 MPa,設(shè)計(jì)溫度300 ℃。該安全閥經(jīng)常開啟,波紋管損壞時(shí),安全閥處于關(guān)閉狀態(tài),安全閥排氣孔沒有堵塞。安全閥出口側(cè)可能有不穩(wěn)定背壓存在。在波紋管破裂期間,安全閥沒有顫振和異常聲響發(fā)生。

本工作對(duì)失效波紋管進(jìn)行了理化檢驗(yàn),分析了波紋管出現(xiàn)開裂失效的原因,希望為靜設(shè)備的安全診斷提供參考。

1 理化檢驗(yàn)及結(jié)果

1.1 宏觀分析

波紋管由兩層不銹鋼薄片構(gòu)成,薄片厚度為0.2 mm 左右。整個(gè)波紋管呈現(xiàn)金屬光澤,波紋管開裂部位變形嚴(yán)重,呈撕裂狀,波紋管裂口中間部位張口較大,裂紋沿環(huán)向擴(kuò)展,見圖2。

圖1 安全閥結(jié)構(gòu)示意圖及波紋管位置Fig.1 Schematic of safety valve structure and position of corrugated pipe

圖2 波紋管失效部位Fig.2 Failed part of corrugated pipe

1.2 斷口分析

由圖3可見:除了斷口新舊程度不同外,失效波紋管斷口的斷裂方向也不相同,有的由內(nèi)向外,有的由外向內(nèi),但其形態(tài)基本相同;而且,在斷裂方向變換處有明顯的轉(zhuǎn)換點(diǎn)存在。

圖3 波紋管斷口形貌Fig.3 Fracture morphology of corrugated pipe

破裂張口最大處通常為波紋管最先開裂處或裂紋源處,故從該處取樣,在掃描電鏡下觀察分析其斷口微觀形貌,結(jié)果見圖4。波紋管斷口微觀形貌表明:斷口由明顯拉長的拋物線形韌窩組成,波紋管斷口局部覆蓋有較厚的腐蝕產(chǎn)物,見圖4(b)。

對(duì)斷口腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析,結(jié)果表明,斷口表面由多種元素存在,其中Fe、Cr、Ni等為波紋管母材組成元素,Cl、S、O等為來自環(huán)境中的腐蝕性介質(zhì),如圖5和圖6所示。且在該位置斷口形貌上,未見奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕破壞的典型特征,也未發(fā)現(xiàn)明顯的疲勞斷裂源形態(tài),斷口仍主要由拋物線形韌窩組成。

(a) 位置A

(b) 位置 B

(c) 位置C

(d) 位置 D

(e) 位置E圖4 波紋管斷口不同位置的微觀形貌Fig.4 Micro morphology of different positions on fracture of corrugated pipe

(a) 分析位置

(b) 分析結(jié)果圖5 斷口腐蝕產(chǎn)物EDS分析位置和結(jié)果(位置D)Fig.5 EDS analysis position (a)and results (b)of corrosion products on fracture (position D)

(a) 分析位置

(b) 分析結(jié)果圖6 斷口腐蝕產(chǎn)物EDS分析位置和結(jié)果(位置E)Fig.6 EDS analysis position (a)and results (b)of corrosion products on fracture (position E)

1.3 金相分析

在波紋管斷口處取金相試樣,經(jīng)預(yù)磨、拋光、10%草酸溶液腐蝕后,觀察其顯微組織,并用HX-1型顯微硬度計(jì)測(cè)試波紋管的硬度。

由圖7可見:波紋管兩層不銹鋼均為相同的固溶態(tài)奧氏體組織,由于波紋管成型時(shí)采用冷加工方式,故在奧氏體上有很多的變形滑移線;斷口發(fā)生縮頸處,奧氏體上的變形滑移線更加密集。

圖7 波紋管斷口處顯微組織Fig.7 Microstructure of the fracture of corrugated pipe

硬度測(cè)試測(cè)試點(diǎn)位置如圖8所示。結(jié)果表明,波紋管兩層硬度值基本相同,為323～332 HB。

圖8 波紋管斷口處硬度測(cè)試位置Fig.8 Postions of hardness test at the fracture of corrugated pipe

1.4 波紋管材質(zhì)分析

波紋管材質(zhì)為奧氏體不銹鋼,用掃描電鏡附帶的能譜儀分析其化學(xué)成分,并與316不銹鋼的化學(xué)成分進(jìn)行比較,結(jié)果見表1。分析對(duì)比結(jié)果表明,該波紋管材料中含有Cr、Ni、Mo等元素,符合316不銹鋼的成分標(biāo)準(zhǔn)。

表1 失效波紋管的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical composition of failed corrugated pipe (mass fraction) %

2 分析與討論

由波紋管破損失效形貌可見,波紋管開裂處發(fā)生了較大的變形,表現(xiàn)為由外向內(nèi)的撕裂失效。斷口微觀分析確認(rèn),雖然斷口上有Cl、S、O等腐蝕性元素存在,但在斷口分析和金相分析中未見有應(yīng)力腐蝕破壞的特征,也未見有明顯的疲勞破壞(腐蝕疲勞)跡象,波紋管破裂形式表現(xiàn)為受外力而過載的韌性斷裂。

由于安全閥波紋管破裂時(shí),安全閥是閉合的,這表明導(dǎo)致波紋管破裂的外力不是來自于安全閥的入口端。從安全閥的結(jié)構(gòu)來看,即使安全閥是開啟的,來自安全閥入口端的介質(zhì)壓力對(duì)波紋管的影響作用也不會(huì)太大,因?yàn)橐坏┌踩y控制的系統(tǒng)超壓,安全閥就會(huì)開啟使介質(zhì)立刻從安全閥出口流出,此時(shí)系統(tǒng)壓力就會(huì)降下來,安全閥重新閉合。而在安全閥的出口端,波紋管直接與有背壓的容器管線系統(tǒng)連接,該系統(tǒng)中的某些介質(zhì)可以對(duì)波紋管產(chǎn)生腐蝕破壞,溫度、壓力變化產(chǎn)生的顫振也可能對(duì)波紋管產(chǎn)生失效破壞[14-16]。所以,波紋管失效的主要原因是由于在安全閥出口端出現(xiàn)壓力異常,即有一個(gè)很大的載荷外力作用于波紋管,超過其自身的強(qiáng)度極限,造成其過載破裂失效。

3 結(jié)論及建議

(1)失效波紋管材質(zhì)為316不銹鋼;其金相組織為帶有冷加工變形滑移線的固溶態(tài)奧氏體組織;其硬度為323～332 HB。根據(jù)波紋管破損失效形貌可知，波紋管斷口處出現(xiàn)了由外向內(nèi)變形并撕裂。

(2)斷口腐蝕產(chǎn)物中雖然存在Cl、S、O等腐蝕性元素,但在斷口分析和金相分析中未見有應(yīng)力腐蝕破壞的特征,也未見有明顯的疲勞破壞(腐蝕疲勞)跡象。

(3)波紋管撕裂失效的主要原因?yàn)椴y管在安全閥出口端受到外力作用過載而導(dǎo)致的韌性斷裂。

建議嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)使用此類安全閥，并定期進(jìn)行檢測(cè)維護(hù)。