平衡式安全閥波紋管開裂原因分析

隋廣洲1,莫燁強1,陳資武,于 洋

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

石油化工企業靜設備的失效一直是制約石化行業長周期發展的棘手問題。通過分析石化企業靜設備的失效現狀和維修手段,并借鑒動設備常用檢測維修技術,綜合設備狀態檢測維修案例,構建出適合石化企業靜設備的狀態檢測維修系統[1]。在維修方案決策方面,利用之前的損傷狀態、損傷診斷和風險結果作為維修和再設計的決策依據,以實現靜設備維修在安全性和經濟性的統一作為優化目標,進行維修策略的優化[2-7]。

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

某煉廠安全閥在使用約1 a時,發現閥內波紋管破裂,見圖1。該波紋管材質為316奧氏體不銹鋼,接觸介質為高溫蒸汽,公稱直徑250 mm,設計壓力0.43 MPa,穩定壓力0.43 MPa,設計溫度300 ℃。該安全閥經常開啟,波紋管損壞時,安全閥處于關閉狀態,安全閥排氣孔沒有堵塞。安全閥出口側可能有不穩定背壓存在。在波紋管破裂期間,安全閥沒有顫振和異常聲響發生。

本工作對失效波紋管進行了理化檢驗,分析了波紋管出現開裂失效的原因,希望為靜設備的安全診斷提供參考。

1 理化檢驗及結果

1.1 宏觀分析

波紋管由兩層不銹鋼薄片構成,薄片厚度為0.2 mm 左右。整個波紋管呈現金屬光澤,波紋管開裂部位變形嚴重,呈撕裂狀,波紋管裂口中間部位張口較大,裂紋沿環向擴展,見圖2。

圖1 安全閥結構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,有的由內向外,有的由外向內,但其形態基本相同;而且,在斷裂方向變換處有明顯的轉換點存在。

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物,見圖4(b)。

對斷口腐蝕產物進行能譜分析,結果表明,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等為來自環境中的腐蝕性介質,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力腐蝕破壞的典型特征,也未發現明顯的疲勞斷裂源形態,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) 分析結果圖5 斷口腐蝕產物EDS分析位置和結果(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) 分析結果圖6 斷口腐蝕產物EDS分析位置和結果(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,經預磨、拋光、10%草酸溶液腐蝕后,觀察其顯微組織,并用HX-1型顯微硬度計測試波紋管的硬度。

由圖7可見:波紋管兩層不銹鋼均為相同的固溶態奧氏體組織,由于波紋管成型時采用冷加工方式,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

硬度測試測試點位置如圖8所示。結果表明,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試位置Fig.8 Postions of hardness test at the fracture of corrugated pipe

1.4 波紋管材質分析

波紋管材質為奧氏體不銹鋼,用掃描電鏡附帶的能譜儀分析其化學成分,并與316不銹鋼的化學成分進行比較,結果見表1。分析對比結果表明,該波紋管材料中含有Cr、Ni、Mo等元素,符合316不銹鋼的成分標準。

表1 失效波紋管的化學成分(質量分數)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,波紋管開裂處發生了較大的變形,表現為由外向內的撕裂失效。斷口微觀分析確認,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為受外力而過載的韌性斷裂。

由于安全閥波紋管破裂時,安全閥是閉合的,這表明導致波紋管破裂的外力不是來自于安全閥的入口端。從安全閥的結構來看,即使安全閥是開啟的,來自安全閥入口端的介質壓力對波紋管的影響作用也不會太大,因為一旦安全閥控制的系統超壓,安全閥就會開啟使介質立刻從安全閥出口流出,此時系統壓力就會降下來,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連接,該系統中的某些介質可以對波紋管產生腐蝕破壞,溫度、壓力變化產生的顫振也可能對波紋管產生失效破壞[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壓力異常,即有一個很大的載荷外力作用于波紋管,超過其自身的強度極限,造成其過載破裂失效。

3 結論及建議

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

(2)斷口腐蝕產物中雖然存在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為波紋管在安全閥出口端受到外力作用過載而導致的韌性斷裂。

建議嚴格按照相關標準使用此類安全閥，并定期進行檢測維護。