柴油加氫改制裝置K-501三級進氣閥閥墊失效分析

王延操（玉門油田分公司生產運行處，甘肅 玉門735200）

玉門油田分公司煉油化工總廠50萬噸/年柴油加氫改質異構降凝裝置由原50萬噸/年柴油加氫改質裝置改造而來。該裝置于2002 年底建成，目前已運行18 年。今年柴油加氫改制裝置K-501 三級進氣閥閥墊斷裂成為碎片，引起壓縮機停機，下面就本次斷裂原因進行分析：加氫車間K-501三級入口閥墊采用純銅加工而成，工作環境溫度85～120℃，工作介質為氫氣（氫氣純度80%～85%，工作壓力為4.1～4.3MPa。閥墊的主要作用有：①調節閥蓋與閥體的間隙；②起密封作用，保證閥蓋與閥體緊密配合，工作介質不外漏。

1 閥墊失效斷裂及斷裂特征

閥墊失效后不是一個局部斷裂或者破碎，而是斷裂成了二十幾片，斷后三級入口閥墊失效碎片，且斷后碎片的在厚度和寬度方向上尺寸均有減小。

閥墊不是一處破碎而是碎成了好多片，且閥墊在失效前產生大量的變形，分別測量使用前完整墊片與失效后的厚度與寬度見表1，發現閥墊在厚度方向上減薄量不均勻，減薄量最大達到使用前閥墊厚度的65%，減薄量最小僅僅為使用前閥墊厚度的11%；在閥墊寬度方向上尺寸也減下，減小量變化不大，但均超過了1mm。厚度方向上變形的可能原因有：①預緊力過大，閥墊產生塑性變形，若是此原因，則在寬度方向上閥墊會增加，但實際測量時閥墊的寬度卻減小了，排除此原因。②安裝時或者運行過程中，預緊力不夠，氣閥與墊片之間產生間隙，造成閥蓋與閥體間的多次循環擠壓而減薄，氣閥與墊片之間間隙大小不同，墊片不同部位上受到的循環力大小不一致，厚度方向上減薄量不均勻，而且間隙的存在使其運行環境被氣體介質包圍，氣體介質中含有氧氣和一氧化碳氣體，對銅墊片產生氧化腐蝕，在循環擠壓力的作用下表面的腐蝕層不斷形成不斷脫落，使其減??；在寬度方向上尺寸減小的原因有含有氧氣和一氧化碳氣體介質中銅墊片產生氧化腐蝕，在循環擠壓力的作用下表面的腐蝕層不斷形成不斷脫落，因此尺寸減小，但在寬度方向不受循環擠壓力，尺寸減小量較厚度方向上小，且各部位基本一致。當尺寸減薄達到一定極限后在一個較大力的作用下閥墊斷裂破碎。

表1 閥墊使用前與失效后厚度寬度尺寸比較

寬度/mm 5.6 4.14 4.11 5.22 4.20 3.74 4.00 4.52 3.64

2 化學分析

表2 化學分析

3 金相檢驗

在未使用的閥墊隨機位置割取一下金相樣，在失效后的墊片中取一片碎片作為金相樣。

3.1 表面金相分析

將試樣放在超聲波清洗機中清洗干凈，直接將其放在光學顯微鏡下觀察其表面，表面呈現天藍色，且有好多點蝕坑，表面的天藍色為Cu2O顆粒，這證明了在宏觀檢驗中關于墊片尺寸減小的分析是合適的。

3.2 未腐蝕金相圖片

圖2 閥墊失效前后金相圖片（未腐蝕）

氧又是紫銅“氫氣病”的禍源。前面化學成分分析可以確定閥墊的材料為紫銅，且紫銅中含有大量的顆粒狀的Cu2O，見圖2（a），閥墊在氫氣、一氧化碳、甲烷等還原性氣體與高溫環境下運行，此時氫或其他還原性氣體能在高溫下滲入固體銅中與氧化亞銅發生還原反應：

生成的水蒸氣或二氧化碳不溶于銅，而本身產生一定的壓力以求析出，當壓力大于金屬本身強度時將引起材料沿晶界開裂，嚴重時肉眼可見表面氣泡。圖2（b）中失效后的閥墊碎片表面出現有一條斷斷續續的氣泡破裂線，這說明Cu2O與還原性氣體在高溫下反應生成水蒸氣或二氧化碳是產生裂紋的主要原因。

3.3 腐蝕后金相照片

圖3 閥墊失效前后金相圖片（40%的硝酸水溶液腐蝕）

純銅經高溫退火后晶粒會長大，圖3 閥墊失效前后金相圖片，可以看出相對失效前，時效后閥墊的晶粒明顯增大，因此在運行過程中經歷了高溫退火。

3.4 晶界裂紋金相照片

圖4 失效后試樣晶界裂紋金相圖片

在失效后的閥墊碎片中，隨機取一個樣，腐蝕后發現其晶界上存在很多裂紋，未腐蝕前在放大的照片中發現在裂紋上面有很多天藍色的氧化亞銅，如圖4（a）、（b）所示，腐蝕后發現裂紋大多都沿著晶界，這再一次說明開裂是由銅的“氫氣病”引起的。

3.5 結論

壓縮機閥墊失效的主要原因有以下個：①閥墊安裝時存在安裝間隙，造成閥蓋與閥體間的多次循環擠壓和氣體腐蝕摩擦而尺寸減小，力學性能下降，同時使工作環境溫度升高。②紫銅的“氫氣病”，在高溫、還原性氣體中，紫銅中的氧化亞銅與還原性氣體反應生成水蒸氣和二氧化碳，水蒸氣或二氧化碳不溶于銅，本身產生一定的壓力以求析出，當壓力大于金屬本身強度時將引起材料沿晶界開裂。③當晶界開裂累計到一定量時，受到一個較大的沖擊力，閥墊瞬間破碎。

4 能譜分析

隨機取失效閥墊樣品1 片，對其表面黑色的腐蝕產物打能譜。

表2 能譜分析結果

5 建議及改進措施

(1)調整好閥蓋與閥座之間的間隙，用頂絲將閥墊頂緊，防止出現循環載荷而引起疲勞。

(2)安裝前將閥蓋與閥座上清理干凈，防止有磨料存在引起摩擦磨損。

(3)如有可能更換閥墊材料，更換為含氧量更低的純銅或者別的金屬材料。