紫銅閥墊失效原因及機(jī)理分析

孟亞惠 ， 馬曉飛

（甘肅省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院 國(guó)家節(jié)能換熱設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，蘭州 730050）

0 引言

紫銅閥墊屬于金屬包覆墊片的一種，無(wú)磁性，導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、耐腐蝕性非常好，在熱交換器、壓力容器等高溫高壓密封部位使用廣泛。紫銅閥墊的密封原理是2 個(gè)結(jié)合面將紫銅閥墊擠壓變形，使得紫銅閥墊的2 個(gè)表面與2 個(gè)結(jié)合面緊密貼合，沒(méi)有絲毫縫隙，從而達(dá)到密封效果[1]。為達(dá)到密封效果，一般在使用前進(jìn)行退火處理，讓紫銅密封圈變軟，從而達(dá)到更好的密封效果，而且還能有效防止墊片的散架、介質(zhì)的侵蝕，因此，紫銅密封圈一般用在帶安裝糟的結(jié)合處[2]。

目前，關(guān)于壓縮機(jī)失效分析主要集中在閥片失效上，關(guān)于閥墊失效分析的研究較少。程軍[3]研究了壓縮機(jī)進(jìn)氣閥鋁墊片的失效問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)腐蝕因素和運(yùn)行狀況導(dǎo)致了閥墊失效。本研究運(yùn)用材料失效分析方法對(duì)閥墊進(jìn)行分析，結(jié)合壓縮機(jī)的運(yùn)行工況和受力特性，判斷閥墊失效原因，為閥墊的選用和安裝提供理論依據(jù)。

圖1 進(jìn)氣閥工作原理圖Fig.1 Working principle diagram of intake valve

加氫車(chē)間K-501 三級(jí)進(jìn)氣閥工作原理如圖1所示，當(dāng)管道與氣缸之間氣體壓力差Δp 大于彈簧彈力F 與閥片重力Fm的和時(shí)，氣體將閥片推開(kāi)，沿著圖1 中箭頭方向進(jìn)入氣缸。當(dāng)Δp 小于兩力之和時(shí)，閥片關(guān)閉[4-5]。進(jìn)氣閥閥墊位于閥座與氣缸之間，閥座與氣缸通過(guò)螺釘連接，閥墊的主要作用為：1）調(diào)節(jié)閥座與氣缸的間隙；2）起密封作用，保證閥蓋與閥體緊密配合，工作介質(zhì)不外露。閥片的每一次開(kāi)啟、關(guān)閉都會(huì)使氣缸內(nèi)的壓力先增大后減小的循環(huán)，使閥墊也受到循環(huán)的擠壓力。閥墊采用紫銅板切割后退火加工而成。

此進(jìn)氣閥閥墊在運(yùn)行一段時(shí)間后發(fā)生破碎，工作環(huán)境溫度為85～120 ℃，工作介質(zhì)為氫氣（純度為80%～85%）及少量的氧氣、氮?dú)?、一氧化碳，工作壓力?.1～4.3 MPa。本研究通過(guò)對(duì)失效閥墊進(jìn)行宏觀(guān)觀(guān)察，比較破碎前后閥墊的金相組織、顯微硬度，分析閥墊破碎的原因。

1 試驗(yàn)方法

紫銅閥墊的外徑為204 mm，內(nèi)徑為195 mm，厚度為2 mm。閥墊失效不是一個(gè)局部斷裂，而是碎裂成了20 余片，圖2 為閥墊使用前和碎裂后的形貌。閥墊碎片表面氧化嚴(yán)重，有些碎片已經(jīng)磨得發(fā)亮，有些閥墊上出現(xiàn)大量犁溝狀溝壑，且斷后碎片在厚度和寬度方向上的尺寸均有減小。

使用游標(biāo)卡尺對(duì)使用前和失效后的閥墊進(jìn)行宏觀(guān)尺寸測(cè)量，比較使用后的減薄量；使用DSX500i 型超景深三維金相光學(xué)顯微系統(tǒng)對(duì)閥墊進(jìn)行金相組織分析，使用MH-50 型顯微維氏硬度計(jì)進(jìn)行顯微硬度檢測(cè)。

圖2 使用前和失效后的閥墊Fig.2 Pre-service and post-failure valve gaskets

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 宏觀(guān)分析

分別測(cè)量使用前完整閥墊與失效后閥墊碎片的厚度和寬度，結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1 可知，失效后的閥墊在厚度方向上的減薄量不均勻，減薄量最大達(dá)到了使用前閥墊厚度的65%，最小為使用前閥墊厚度的11%；閥墊在寬度方向上尺寸也減小，減小量變化不大，但均超過(guò)了1 mm。厚度方向上變形的可能原因有2 個(gè)：

1）受擠壓產(chǎn)生塑性變形。螺釘?shù)念A(yù)緊力過(guò)大，閥墊產(chǎn)生塑性變形，厚度減小，由此會(huì)導(dǎo)致在寬度增加，但實(shí)際測(cè)量的閥墊寬度卻減小了，故排除此原因。

2）受腐蝕和磨損而減薄。安裝時(shí)或者運(yùn)行過(guò)程中，由于預(yù)緊力不夠，閥墊與閥座、閥墊與氣缸的接觸面間產(chǎn)生間隙，造成閥墊受到閥體與氣缸之間的多次循環(huán)擠壓力而減薄，不同位置的間隙不同，使閥墊不同部位上受到的循環(huán)力大小不一致[3]，厚度減薄量不均勻，而且間隙的存在使其運(yùn)行環(huán)境被氣體介質(zhì)包圍，氣體介質(zhì)中含有氧氣和一氧化碳?xì)怏w，對(duì)銅墊片產(chǎn)生氧化腐蝕[6]，在循環(huán)擠壓力的作用下，表面的腐蝕層不斷形成與脫落，脫落的腐蝕產(chǎn)物來(lái)不及向外排出，與安裝時(shí)使用的潤(rùn)滑脂粘連在一起，形成磨料，在循環(huán)力的作用下閥墊又發(fā)生磨料磨損，使其減??；寬度減小是因?yàn)樵诤醒鯕夂鸵谎趸細(xì)怏w介質(zhì)中銅墊片產(chǎn)生氧化腐蝕，在循環(huán)擠壓力的作用下表面的腐蝕層不斷形成與脫落，但在寬度方向不受循環(huán)擠壓力，尺寸減小量較厚度方向上小，且各部位基本一致。當(dāng)尺寸減薄達(dá)到一定極限后在一個(gè)較大力的作用下閥墊斷裂破碎。

表1 使用前與失效后的閥墊尺寸Table 1 Dimension between pre-service and post-failure valve gaskets mm

2.2 金相分析

將失效閥墊試樣放在超聲波清洗機(jī)中清洗干凈，在光學(xué)顯微鏡下觀(guān)察其表面，形貌見(jiàn)圖4，可見(jiàn)表面呈天藍(lán)色，且有很多點(diǎn)蝕坑。表面天藍(lán)色物質(zhì)為Cu2O 顆粒[7-8]，這與宏觀(guān)分析中關(guān)于墊片尺寸減小的失效機(jī)理是相吻合的。

拋光后未經(jīng)腐蝕的閥墊光學(xué)顯微鏡照片見(jiàn)圖5。圖5a 為使用前閥墊的金相照片，布滿(mǎn)了黑色的點(diǎn)狀顆粒，放大后在明場(chǎng)下呈淡藍(lán)色，查資料發(fā)現(xiàn)其為Cu2O，對(duì)照?qǐng)D譜分析其為全共晶組織，ω(O)達(dá)到0.39%[9]。圖5b～圖5d 為未腐蝕的失效后閥墊光學(xué)顯微鏡照片。圖5b 中有一道很長(zhǎng)的裂紋狀“橘皮”組織，出現(xiàn)此組織證明在失效前經(jīng)歷了大量的形變，且組織被淡藍(lán)色的氧化物填充。將圖5b放大得到圖5d，切換視場(chǎng)找到了存在圖5c 那樣的封閉裂紋，裂紋內(nèi)部填滿(mǎn)了淡藍(lán)色的氧化膜，此裂紋可能為熱裂紋。

圖4 失效后墊片表面形貌Fig.4 Surface morphology of valve gasket after failure

失效前后的閥墊經(jīng)40%（體積分?jǐn)?shù)）硝酸水溶液腐蝕后的金相組織見(jiàn)圖6。由圖6 可知，使用前的閥墊晶粒比失效后的閥墊晶粒小，說(shuō)明閥墊在使用過(guò)程中經(jīng)歷了長(zhǎng)時(shí)間的高溫退火。失效后的閥墊晶粒內(nèi)部出現(xiàn)了大量的變形孿晶，這也說(shuō)明在使用過(guò)程中紫銅閥墊發(fā)生了很大程度的變形[10]。

圖5 閥墊失效前后照片（未腐蝕）Fig.5 Metallographic photos of valve gasket valve gasket before service and after failure(Without corrosion)

圖6 閥墊金相組織Fig.6 Metallographic microstructure of valve gasket

圖7 失效后的閥墊裂紋處金相組織Fig.7 Metallographic microstructure of cracks of valve gasket after failure

失效后的閥墊裂紋處金相組織如圖7 所示。失效后的閥墊有許多裂紋，裂紋較平整，尾部較圓鈍，裂紋內(nèi)有淺藍(lán)色的Cu2O，局部裂紋內(nèi)夾雜有硬質(zhì)點(diǎn)。裂紋沿閥墊表面分布，兩側(cè)晶粒發(fā)生明顯變形。該缺陷產(chǎn)生的可能原因是閥墊在安裝過(guò)程中沒(méi)有將表面的積灰進(jìn)行清理，安裝時(shí)又使用了潤(rùn)滑脂，使用過(guò)程中閥墊在循環(huán)力的擠壓下將外來(lái)的硬顆粒雜質(zhì)物及脫落的氧化皮壓入閥墊表面，在循環(huán)力的作用下在閥墊表面發(fā)生移動(dòng)，形成所謂的“裂紋”缺陷[11]。

2.3 硬度分析

使用前的閥墊及失效后閥墊裂紋處與非裂紋處的顯微硬度值如圖8 所示。由圖8 可知，失效閥墊的硬度無(wú)論在裂紋處還是非裂紋處均要比使用前的硬度高很多，這也證明了使用后的閥墊雖然經(jīng)歷了高溫退火，但并沒(méi)有消除形變對(duì)機(jī)械性能的影響，出現(xiàn)形變硬化[12]。裂紋處的硬度較非裂紋處低，這可能是因?yàn)榱鸭y處沒(méi)有被金屬氧化皮以及外來(lái)的雜質(zhì)物填滿(mǎn)，導(dǎo)致硬度下降。當(dāng)變形積累到一定程度以后，硬度升高，韌性變差[13]，加上“裂紋”缺陷是薄弱點(diǎn)，在一個(gè)較大的外力作用下發(fā)生爆炸式斷裂。

3 結(jié)論

1）閥墊安裝時(shí)存在安裝間隙，閥墊受到閥座與氣缸間的多次循環(huán)擠壓和氣體腐蝕摩擦而尺寸減小。

圖8 閥墊使用前與失效后不同部位顯微硬度Fig.8 Microhardness of different parts of valve gasket before service and after failure

2）腐蝕產(chǎn)生的氧化皮在循環(huán)力的擠壓下壓入閥墊表面，發(fā)生移動(dòng)，形成“裂紋”缺陷。

3）當(dāng)變形積累到一定程度以后，硬度升高，韌性變差，加上“裂紋”缺陷是薄弱點(diǎn)，在一個(gè)較大的沖擊力的作用下，閥墊瞬間破碎。