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(xué)石油化工學(xué)院；2.甘肅省特種設(shè)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(shè)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(zhì)不外漏［4～6］。 若壓縮機進氣閥閥墊失效，將會產(chǎn)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(chǎn)，2017 年7 月6 日加氫裝置三級進氣閥發(fā)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(fā)生同種狀態(tài)泄漏。通過緊急處理，成功關(guān)閉閥門。為避免類似事故再次發(fā)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(zhì)（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(fā)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(fā)現(xiàn)， 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(chǎn)生變形的原因是：預(yù)緊力過大，閥墊產(chǎn)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(yù)緊力不夠，進氣閥與閥墊之間產(chǎn)生間隙，造成閥蓋與閥體間的多次循環(huán)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(huán)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(huán)境被氣體介質(zhì)（氧氣和一氧化碳氣體）包圍，對銅墊片產(chǎn)生了氧化腐蝕，從而在循環(huán)擠壓力的作用下表面的腐蝕層不斷形成與脫落，發(fā)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(zhì)中銅墊片發(fā)生了氧化腐蝕， 但在寬度方向上不受循環(huán)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(fā)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(jié)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(jié)果 %

2.3 金相檢驗

使用OLYMPUS OLS5000 光學(xué)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(xué)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(huán)境的作用下，發(fā)生了還原反應(yīng)：

圖2 失效墊片的表面形貌

Cu2O+H2→2Cu+H2O↑

Cu2O+CO→2Cu+CO2↑

反應(yīng)生成的水蒸氣和二氧化碳不溶于銅，同時本身產(chǎn)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(chǎn)生的氣泡。 圖3 中失效后的閥墊碎片表面出現(xiàn)一條斷斷續(xù)續(xù)的氣泡破裂線，這說明Cu2O 與還原性氣體在高溫下反應(yīng)生成了水蒸氣或二氧化碳， 是產(chǎn)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(jīng)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(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)有一層黑色的腐蝕產(chǎn)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(jié)果見表3，C 元素的原子數(shù)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(chǎn)物照片

表3 能譜分析結(jié)果 %

3 結(jié)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(huán)擠壓和氣體腐蝕摩擦，從而使其尺寸減小、力學(xué)性能下降，同時使工作環(huán)境溫度升高；

b. 紫銅具有“氫氣病”，在高溫、還原性氣體環(huán)境中，紫銅中的氧化亞銅與還原性氣體反應(yīng)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(chǎn)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(fā)生瞬間破碎。

根據(jù)閥墊的失效原因，提出以下建議：

a. 調(diào)整好閥蓋與閥座之間的間隙，用頂絲將閥墊頂緊， 防止出現(xiàn)循環(huán)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。