壓力管路超高壓過濾器的失效分析

劉紅安

（中海油能源發展股份有限公司工程技術深水鉆采技術中心，海南 海口 570100）

1 背景

壓力管路超高壓過濾器是液壓系統中必不可少的重要液壓系統附件，隨著我國對超高壓管路的應用，超高壓液壓過濾器的需求越來越廣泛，但目前市場上超高壓過濾器多為進口過濾器，其價格昂貴，交貨周期長。為了降低成本，控制交貨周期，從而實現超高壓液壓過濾器的國產化，某公司研發了一款超高壓液壓過濾器，為適應腐蝕性介質與海洋環境等應用的需求，其主體材質使用了高強度的沉淀硬化不銹鋼S17400/ASTM A564,H1100，但在壓力測試過程中，濾筒沿底部周邊斷裂，筆者就此問題進行了檢驗與分析。

2 過濾器結構

此過濾器為壓力管路超高壓液壓過濾器，主體結構有濾頭、濾筒和濾芯，并帶有旁通閥和發訊器，本次測試主要失效部件為濾筒。

3 檢驗與分析

3.1 壁厚核算檢驗

（1）濾筒圓周方向壁厚計算。此濾筒屬于超高壓壁厚設計，根據TSG R0002-2005《超高壓容器安全技術監察規程》提供的壁厚公式（見公式1），計算斷裂處的圓周方向壁厚：

其中， 為計算最小壁厚；Di 為濾筒內直徑；nb為爆破安全系數；P 為爆破安全系數；φ為設計溫度下材料強度減弱系數；Rp0.2為材料在常溫下的屈服強度下限值，MPa；Rm為材料在常溫下的抗拉強度下限值，MPa。

（2）濾筒底部壁厚計算。參考HB 6779-93《航空液壓過濾器設計指南》提供的壁厚公式（見公式2），計算濾筒底部壁厚：

其中，t1為計算濾筒底部最小壁厚；D4為濾筒底部內徑；Pe為額定工作壓力，MPa；nb為爆破安全系數；為材料在常溫下的屈服強度下限值，MPa。

代入相應數據，計算濾筒底部最小壁厚t1為：16.8mm，實際的最小壁厚為23mm，濾筒底部壁厚設計值符合要求。

3.2 化學成分分析

將濾筒進行化學成分分析，結果見表1，其化學成分符合ASTM A564/A564M-19 對S17400 鋼的成分要求。

表1 S17400 的化學成分檢測%

由此可見，S17400 鋼的成分符合標準要求。

3.3 斷面分析

對斷裂面進行分析，發現整個斷面較齊整，紋路清晰，在濾筒底部斷裂，呈暗灰色，在光線照射下，易發現有閃爍金屬光澤的結晶狀，無明顯的塑性變形，呈脆性斷裂特征，見圖1。

圖1 濾筒圓周及底部斷裂面

3.4 力學性能檢驗

對斷裂濾筒進行取樣，進行拉伸試驗，結果見表2，其中，抗拉強度符合ASTM A564/A564M-19 對S17400 不銹鋼的要求，但最小伸長率不符合相應標準的要求。

表2 S17400 的力學性能檢驗

3.5 濾筒裂紋分析

對斷裂濾筒進行超聲波裂紋檢測，未發現裂紋，結果見表3。

表3 濾筒裂紋測試

3.6 應力模擬分析

用軟件模擬，進行應力分析，發現最大應力處為濾筒的底部，最大應力值為3722.65MPa,遠大于此濾筒材料的實際抗拉強度，如圖2 所示。

圖2 濾筒應力分析

3.7 原因分析

由以上化學成分與力學性能的檢驗結果可知，此濾筒材料的化學成分符合相應的標準要求，抗拉強度符合相應的標準要求，但最小伸長率不符合要求，塑性明顯不足。再根據對斷面裂紋的查看，斷面位于濾筒底部，經確認，濾筒底部用電火花加工，濾筒無自然加工成型的刀尖圓弧圓角，在濾筒底部造成了應力集中，經應力模擬分析，其應力達到3722.65MPa，遠超過該材料的抗拉極限。而濾筒所用材料為S17400 不銹鋼材料，其屬于沉淀硬化不銹鋼，其金相組織屬于馬氏體組織，而馬氏體組織的特征之一是硬度較高，但脆性較大，在應力遠超抗拉強度的情況下，首先產生了微裂紋，在裂紋達到一定尺寸時，迅速擴大，最終導致斷裂。

此濾筒的斷裂符合脆性斷裂的2 個典型特征：（1）容器沒有明顯的變形；（2）裂口齊平、且與濾筒的軸向垂直，斷面形貌呈閃爍金屬光澤的結晶狀，斷裂紋路指向裂紋源。

4 改進驗證

根據以上的檢驗與分析，由于S17400 不銹鋼材質的塑性較低，且其可能發生脆性斷裂的性質，將材質改為塑性更佳的雙相不銹鋼S31803，并且將濾筒底部直角過渡改成大圓弧角過渡，以改善應力集中現象，首先對其進行最小壁厚設計核算，驗證合格后，再對設計模型進行應力模擬分析，確定設計合理后，加工濾筒，在加工前，對原材料進行化學成分檢測與力學性能檢測，并對加工濾筒的原材料與加工后的濾筒進行裂紋檢測，確定無裂紋，最終進行壓力測試驗證。

4.1 最小壁厚設計核算

（1）濾筒圓周方向壁厚設計計算。此濾筒壁厚設計屬于超高壓壁厚設計，根據TSG R0002-2005《超高壓容器安全技術監察規程》提供的最小壁厚計算公式（見公式1），計算濾筒的圓周方向最小壁厚。代入相應數據，計算最小壁厚為：16.8mm，設計的最小壁厚為23mm，因此，濾筒底部的最小壁厚設計值符合要求。

（2）濾筒底部最小壁厚設計計算。參考HB 6779-93《航空液壓過濾器設計指南》提供的最小壁厚公式（見公式2），計算濾筒底部最小壁厚。代入相應數據，計算濾筒底部最小壁厚為：21.9mm，設計的最小壁厚為23mm，濾筒底部最小壁厚設計值符合要求。

4.2 設計模型應力模擬分析

用軟件對模型進行應力分析，設計最大應力處已由濾筒底部圓周處變更到濾筒底部的小孔內，且最大應力值為459.460MPa,小于此濾筒材料的抗拉強度，如圖3所示。

圖3 濾筒設計模型應力分析

4.3 化學成分檢測

對濾筒的原材料進行化學成分檢測，結果見表4，其化學成分符合ASTM A182/A182M-18 對S31803 雙相不銹鋼的成分要求。

表4 S31803 雙相鋼的化學成分 %

4.4 力學性能檢驗

對濾筒的原材料，進行力學性能檢驗，結果見表5，力學性能均符合要求。

表5 S31803 雙相鋼的力學性能要求

4.5 濾筒裂紋分析

（1）濾筒原材料的裂紋探傷。對濾筒原材料進行超聲波裂紋檢測，未發現裂紋，結果見表6。

表6 濾筒裂紋測試

（2）加工完成后的濾筒裂紋探傷。對加工完成后的濾筒進行超聲波裂紋探傷，未發現裂紋，結果見表7。

表7 濾筒裂紋測試

4.6 壓力測試

使用新濾筒組裝過濾器，對組裝后的過濾器進行壓力測試，保壓12h,無可見泄漏，濾頭、濾筒無可見變形與損壞。

5 結語

（1）在設計超高壓液壓過濾器時，應選擇塑性好、強度高的材料，并按標準要求進行裂紋檢測。（2）在設計時，應避免應力集中現象。（3）對設計的濾筒進行應力分析可以幫助發現最大應力點，并對不合理的結構加以優化。