气压机蒸汽阀波齿垫片爆裂的原因分析

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　　摘要：经对爆裂的波齿垫片进行宏、微观分析和化学成分分析，认为，爆裂的波齿垫片材料为1Cr18Ni9奥氏体不锈钢，裂纹性质为高频疲劳开裂。由于安装时法兰垫片位置倾斜，而使垫片的外环卡在法兰的凸台处，密封内圈波齿部分未能压紧，在经过10个多小时的吹扫时发生高频振动而开裂，并在高压气条件下发生爆裂。
　　关键词：奥氏体不锈钢‘;疲劳开裂;波齿垫片
　　1 引言
　　新汽压机蒸汽阀为2.5MPa级的双通中压阀，外有16只M27螺栓。内通过蒸汽，压力为1MPa，温度为180℃~200℃。阀门与出汽管均为法兰联接，中间采用不锈钢波齿垫片为密封垫片。安装后试车，用高压蒸汽吹扫了10h左右，第二天上午引蒸汽，但未开机，下午在进行引汽时，发生爆裂。波齿垫片裂成许多碎片，有些碎片边缘呈现黄褐色或在其断口上呈兰色(图1)。波齿垫片的尺寸如图2所示，波齿垫片的外径为Φ403mm，内径为Φ323mm。波齿部分宽为20mm，齿高2.5mm，共有4.5个齿。而波齿垫片的外圈宽为22mm，厚为1.5mm。蒸汽密封是靠上下1mm厚的石墨片压紧波齿垫片中间36mm宽的波齿区来达到的(见图2)。

　　2 理化实验
　　2.1 化学分析及硬度测定
　　爆裂的波齿垫片为SUS304奥氏体不锈钢，其化学成为为(质量分数)：C 0.043%，Si 0.52%，Mn 1.13%，Cr 17.21%，Ni 7.58%，S 0.002%，P 0.003%)，同标准SUS304不锈钢相比，其镉和镍含量偏低，硬度为90HB。
　　2.2 宏观观察
　　爆裂的波齿垫片内圈边缘较有规律的开裂，裂纹间相距5mm左右，裂纹长3mm左右。内圈边缘部分剥落，剥落块大小为5~10mm，剥落的深度约为3mm。波齿部分与外圈平坦部分几乎完全脱开。波齿外圈中心有一压痕，压痕宽3.5mm，离边缘7mm。波齿垫片剥落的断口呈贝壳状，断面较为平整。
　　2.3 金相检验
　　取爆裂的波齿垫片碎片制样后，在光学显微镜下观察，可看到径向与周向两种裂纹。其中，径向裂纹起始于波片内圆周边且笔直，中间拐弯且不分叉，见图3a;周向裂纹较长且相互平行，见图3b。经侵蚀后，试样表面呈深黑色，晶粒细小，晶粒度为6~7级。在高倍下可看到晶粒内充满滑移带，但在一个晶粒内可看到两组不同的平行条带，为应变马氏体(ε相)(图3c)。

　　2.4 断口观察
　　观察波齿垫片上的断口，裂口起源于波齿垫片的内边缘。断口起始部位平坦，这与在光学显微镜中观察到的起始裂纹平直是一致的。而当裂口延伸到200μm时，就可看到清晰的疲劳辉纹，特别是在断口的尾部(图4)，可以看到清晰的疲劳辉纹，并在整个断口上几乎没有看到典型的韧窝。说明具有高频疲劳裂纹扩展的特征。

　　2.5 裂纹尖端产物的电子探针分析
　　对裂纹尖端进行电子探针能谱分析，除垫片材料中应含有的元素外，未发现其他元素。
　　3 讨论
　　经对波齿垫片宏、微观的检验，可以看出波齿垫片开裂属于疲劳开裂。
　　对破裂与未破裂的垫片做反复弯曲试验，破裂垫片仅反复弯曲3次就出现开裂，而未破裂垫片需反复弯曲7次，说明破裂垫片材料较脆。
　　就破裂垫片的波齿部分与平坦外圈部分的材料对比，波齿部分的材料更脆，这与在金相显微镜检查中发现波齿部分截面中存在大量应变马氏体，而在平坦外圈部分表面仅发行少量应变马氏体有关。在加工过程中出现的应变马氏体会使材料变脆，但这种脆性仅发生在加工表面。爆裂垫片的波齿部分较脆，说明垫片在开裂过程中发生了剧烈的应变。
　　断口上出现的疲劳辉纹，说明垫片发生了剧烈振动，根据波齿垫片操作时间极短及其疲劳形貌可以判断应是高频振动。但设备还未正常运行，法兰压紧的波齿垫片为什么会振动。在分析波齿垫片残片时看到，在垫片外圆平坦圈内的中心出现了3~4mm压痕，该压痕距垫片外圆周7~8mm。说明在气压阀中垫片的外圈被压紧(上面都有一对应压痕)，而正常状态垫片应该是内圈波齿部分被压紧。故垫片是处于外圈压紧内圈悬臂的状态，相当于典型的舌黄位置和状态。当高气压蒸汽进入时就引起振动，其振动频率与进气速度及垫片本身的固有频率有关。虽然设备尚未正式运行，但垫片在进行高压吹扫过程中已发生开裂。因此此时管道与阀门还处于常压，所以没有爆裂。
　　垫片光滑部分的压痕与上下法兰面上有一凸台相对应，这两个压痕与法兰的凸台尺寸相对应，但压痕的宽度稍有不同。由于垫圈是具有一定弹性的，波齿垫片处在不正常的倾斜状态。
　　波齿法兰爆裂的三个现象是值得注意的：①波齿垫片的外圈平坦部分中间有3~4mm的压痕，上下都有，但宽度不一样，该压痕是在垫片外圈的定位圆周上，只有1/5圆周。压痕位置与法兰面凸台位置相对应;②波齿垫片的波齿部分与内圈平坦部分几乎脱开;③拆卸垫片时法兰固定螺钉用手即可拧出，说明固定螺栓未拧紧。
　　这3点看来，垫片的安装是有问题的，即一边压紧一边未压紧(垫片处于倾斜状态)，说明法兰螺钉没有拧紧。当以高压气进行吹扫时，垫片的内圈开始剧烈振动，随着振动而开裂，开裂处的振动又加剧开裂部分由于强烈的应变而发热(部分开裂碎片边缘呈现黄褐色和断口呈蓝色)，直至最后破裂。当第二天正式进高压气时，已开裂的波齿垫片便发生爆裂。
　　4 结论
　　爆裂的波齿垫片材料为SUS304奥氏体不锈钢。
　　波齿垫片爆裂属于高周疲劳开裂。波齿垫片之所以发生疲劳开裂是由于垫片安装时倾斜，而使垫片内圈波齿部分没有压紧，在高压吹气时发生高频振动所致。
　　发生脆性爆裂是由于垫片的波齿直接采用冷加工及后来高频振动，使材料产生(ε相)应变马氏体所致。
　　5 建议与措施
　　建立一套较为严格的波齿垫片安装工艺。
　　降低波齿垫片的冷加工应变。
　　波齿垫片材质可用SUS316L替代SUS304奥氏体不锈钢。
　　转自：http://blog.sina.com.cn/s/blog_e766b6f00102wpm5.html

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