加氫裝置三級進氣閥閥墊失效原因分析

孫寶財 丁雪興 徐魯帥 肖 雪 凌 曉

（1.蘭州理工大學石油化工學院；2.甘肅省特種設備檢驗檢測研究院；3.中國石油天然氣股份有限公司玉門油田分公司）

在加氫車間中， 壓縮機是核心設備之一，是日常維護檢修的重點對象［1］。 壓縮機進氣閥多采用銅制閥墊［2，3］密封，閥墊的主要作用為：填充閥蓋與閥體間的縫隙；起密封作用，保證閥蓋與閥體緊密配合，工作介質不外漏［4～6］。 若壓縮機進氣閥閥墊失效，將會產生極為嚴重的后果。

某石化公司的加氫車間于2016 年5 月投產，2017 年7 月6 日加氫裝置三級進氣閥發生泄漏，泄漏原因為閥墊破損，隨后更換了同種材料的墊片，于2018 年8 月23 日再次發生同種狀態泄漏。通過緊急處理，成功關閉閥門。為避免類似事故再次發生，筆者取下閥門墊片進行檢測分析［7～10］，找出閥墊失效的原因并給出改進建議。

1 運行工況

閥墊材料為Cu， 尺寸為φ204mm×φ195mm×2mm。 泄漏氣閥工況為：操作溫度110℃，工作介質（干基）包括85%H2、3%O2、7%N2和5%CO，操作壓力4.25MPa。

2 檢測與分析

2.1 宏觀檢查

圖1 為閥墊失效前后的宏觀形貌，從圖1 可以看出閥墊多處破損形成大量碎片，且發生嚴重變形。 分別測量失效前后閥墊的厚度與寬度，見表1。 可以發現， 閥墊在厚度方向上減薄量不均勻，減薄量最大為使用前閥墊厚度的65%，減薄量最小為使用前閥墊厚度的11%；閥墊寬度方向上尺寸也有所減小，減小量變化不大，但均超過了1mm。

初步分析閥墊在厚度方向上產生變形的原因是：預緊力過大，閥墊產生塑性變形。 此時閥墊在寬度方向上尺寸會增加，但實際測量時閥墊在寬度方向上尺寸卻減小了， 因此可以排除此原因。 進而分析閥墊變形的原因是：安裝時或者運行過程中，預緊力不夠，進氣閥與閥墊之間產生間隙，造成閥蓋與閥體間的多次循環擠壓閥墊而減薄，進氣閥與閥墊之間間隙大小不同，閥墊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，而且間隙的存在使得運行環境被氣體介質（氧氣和一氧化碳氣體）包圍，對銅墊片產生了氧化腐蝕，從而在循環擠壓力的作用下表面的腐蝕層不斷形成與脫落，發生減薄。

在寬度方向上尺寸減小的原因是：在含有氧氣和一氧化碳氣體介質中銅墊片發生了氧化腐蝕， 但在寬度方向上不受循環擠壓力的作用，因此尺寸的減小量較厚度方向上的要小，且各部位基本一致。 當閥墊尺寸減薄達到一定極限時再受到一個較大力的作用就會發生斷裂破碎。

圖1 閥墊失效前后的宏觀形貌

表1 閥墊使用前與失效后厚度、寬度對比 mm

2.2 成分分析

對失效閥墊進行材料成分分析，結果見表2，可以看出閥墊銅含量大于99.950 0%，為紫銅。

表2 失效閥墊材料成分分析結果 %

2.3 金相檢驗

使用OLYMPUS OLS5000 光學顯微鏡對試樣進行金相檢驗。 在失效后的閥墊中隨機取一片碎片作為金相試樣，將試樣放在超聲波清洗機中清洗干凈，然后放在光學顯微鏡下觀察，可以看出試樣表面呈天藍色，有很多點蝕坑（圖2）。

閥墊紫銅材料中含有大量的顆粒狀Cu2O，所以閥墊在氫氣、一氧化碳等還原性氣體與高溫環境的作用下，發生了還原反應：

圖2 失效墊片的表面形貌

Cu2O+H2→2Cu+H2O↑

Cu2O+CO→2Cu+CO2↑

反應生成的水蒸氣和二氧化碳不溶于銅，同時本身產生一定的壓力以求析出， 所以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產生的氣泡。 圖3 中失效后的閥墊碎片表面出現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了水蒸氣或二氧化碳， 是產生裂紋的主要原因。

圖4 為閥墊失效前后的金相圖片， 可以看出，閥墊失效后比失效前的晶粒明顯增大，說明在運行過程中閥墊經歷了高溫退火。

圖3 失效閥墊表面的氣泡破裂線

另外，在腐蝕后的閥墊上發現其晶界上存在很多裂紋，如圖5 所示，說明開裂是由銅的“氫氣病”引起的。

圖4 閥墊失效前后的金相圖片

圖5 失效后試樣晶界裂紋金相圖片

2.4 能譜分析

在失效后的閥墊試樣上發現有一層黑色的腐蝕產物，如圖6 所示，使用S-250 型掃描電子顯微鏡對它進行能譜分析，結果見表3，C 元素的原子數含量較高， 其次是Cu 原子， 還含有少量的O、S 元素和極少的Si、Ca、Fe 元素。由于閥蓋與閥座是由鑄鐵加工制造而成，所以C 元素可能來自閥蓋、閥座與閥墊摩擦，形成局部高溫，從而使閥蓋與閥座中的C 元素石墨化析出。

圖6 黑色腐蝕產物照片

表3 能譜分析結果 %

3 結論及建議

壓縮機閥墊失效的主要原因如下：

a. 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，從而使其尺寸減小、力學性能下降，同時使工作環境溫度升高；

b. 紫銅具有“氫氣病”，在高溫、還原性氣體環境中，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，水蒸氣和二氧化碳不溶于銅同時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；

c. 當晶界開裂累積到一定量時，再受到一個較大的沖擊力后閥墊將發生瞬間破碎。

根據閥墊的失效原因，提出以下建議：

a. 調整好閥蓋與閥座之間的間隙，用頂絲將閥墊頂緊， 防止出現循環載荷從而引起疲勞破壞；

b. 安裝前將閥蓋與閥座清理干凈，防止存在磨料從而引起摩擦磨損；

c. 如有必要，可將閥墊材料更換為含氧量更低的純銅或其他金屬材料。