苯乙烯裝置中氫壓機(jī)吸氣閥的斷裂原因

唐春容, 李建宏, 陳 平

(獨(dú)山子石化公司研究院 壓力容器檢驗(yàn)所, 克拉瑪依 833699)

某苯乙烯裝置的氫壓機(jī)四級(jí)氣缸東側(cè)吸氣閥在運(yùn)行21個(gè)月后,發(fā)現(xiàn)閥座密封面處出現(xiàn)斷裂，該吸氣閥位置如圖1所示。該氫壓機(jī)為6M32-153/0.35-33-BX型活塞式壓縮機(jī)，有6列氣缸，屬M(fèi)型對(duì)稱平衡型；容積流量為153 m3·min-1；進(jìn)氣口壓力為0.035 MPa；排氣壓力為3.3 MPa；轉(zhuǎn)速為331 r·min-1；壓縮介質(zhì)中含95%(體積分?jǐn)?shù)，下同)氫氣、3%二氧化碳、0.1%空氣、0.06%一氧化碳、0.6%甲烷、0.21%乙烯。吸氣閥為網(wǎng)狀閥，閥座材料為2Cr13鋼，閥片材料為聚醚醚酮。為查明吸氣閥斷裂的原因，筆者對(duì)其各部件進(jìn)行了理化檢驗(yàn)及分析，并提出了預(yù)防措施[1]。

圖1 吸氣閥位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of suction valve position

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀及低倍形貌

1.1.1 閥座斷裂損傷宏觀形貌

氫壓機(jī)四級(jí)氣缸東側(cè)吸氣閥閥座密封面發(fā)生斷裂的區(qū)域尺寸約為8 mm×8 mm，如圖2所示。脫落的金屬碎屑拉傷了閥座上表面，進(jìn)入氫壓機(jī)氣缸內(nèi)，如圖3所示。對(duì)吸氣閥解體后發(fā)現(xiàn)閥片內(nèi)彈簧出現(xiàn)變形斷裂，如圖4所示，為此對(duì)解體后的閥座下表面進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)閥座下表面50%區(qū)域存在明顯彈簧壓痕，如圖5所示。

圖 2 吸氣閥閥座下表面(密封面)宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of lower surface (sealing surface) of suction valve seat: a) overall morphology of lower surface of valve seat; b) local enlarged view of fracture area

1.1.2 閥座上表面宏觀形貌

對(duì)吸氣閥閥座上表面進(jìn)行宏觀觀察，發(fā)現(xiàn)有一條長(zhǎng)約150 mm的裂紋，如圖6所示。

為了觀察裂紋走向，對(duì)閥座外圈進(jìn)行了切割，如圖7和圖8所示，閥座解體后發(fā)現(xiàn)整體長(zhǎng)約316 mm(裂紋1～4)的多條裂紋，閥座凸臺(tái)外表面存在長(zhǎng)約18 mm的裂紋(裂紋5)，閥座由外向里第2圈斷口1左側(cè)可見(jiàn)一條長(zhǎng)約32 mm的裂紋(裂紋6)。

1.1.3 閥座下表面宏觀形貌

對(duì)吸氣閥解體后下表面的閥座開(kāi)裂區(qū)進(jìn)行宏觀分析，如圖9所示?？梢?jiàn)裂紋起源于斷口1損傷位置，如圖9b)中圈出位置，向右側(cè)擴(kuò)展至斷裂，該段開(kāi)裂區(qū)表面光滑無(wú)金屬光澤,呈暗淡鐵銹色，如圖9b)所示；裂紋再反向向左擴(kuò)展至圖9c)中所示位置后開(kāi)始快速擴(kuò)展至斷裂，形成斷口2；裂紋繼續(xù)擴(kuò)展至圖9d)中所示位置直至最終斷裂，形成斷口3；斷口2、斷口3呈灰色金屬光澤，可見(jiàn)明顯的撕裂棱及臺(tái)階，直至由密封面表面斷裂剝落。

圖3 吸氣閥閥座上表面宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of upper surface of suction valve seat: a) overall morphology of upper surface of valve seat; b) scratch 1 of valve seat; c) scratch 2 of valve seat

圖4 吸氣閥彈簧變形宏觀形貌Fig.4 Macro morphology of spring deformation of suction valve: a) overall morphology of spring deformation of suction valve; b) local enlarged view of spring deformation

圖5 閥座下表面彈簧壓痕形貌Fig.5 Morphology of spring indentation on the lower surface of valve seat

圖6 吸氣閥閥座上表面裂紋Fig.6 Crack on the upper surface of suction valve seat

圖7 解體后閥座上表面宏觀形貌Fig.7 Macro morphology of upper surface of valve seat after disassembly

圖8 解體后閥座上表面裂紋宏觀形貌Fig.8 Macro morphology of upper surface cracks on valve seat after disassembly: a) crack 1; b) crack 2; c) crack 3; d) crack 4; e) crack 5; f) crack 6

圖9 解體后閥座下表面開(kāi)裂區(qū)宏觀形貌Fig.9 Macro morphology of cracking area on lower surface of valve seat after disassembly: a) overall morphology of lower surface of valve seat after disassembly; b) cracking area on fracture 1; c) cracking area on fracture 2; d) cracking area on fracture 3

1.1.4 閥座斷口宏觀及低倍形貌

對(duì)圖9所示的閥座下表面斷口1，2，3進(jìn)行觀察。其中斷口1對(duì)應(yīng)圖7中上表面的位置3；斷口2對(duì)應(yīng)圖7中的位置2；斷口3對(duì)應(yīng)圖7中的位置1。

斷口1的裂紋起源于閥座的一端，此處推測(cè)應(yīng)受到外部的撞擊，有一個(gè)凹坑；在裂紋擴(kuò)展區(qū)有海灘狀的疲勞弧線；最終斷裂區(qū)在裂紋源的另一側(cè)，如圖10所示。

斷口2的裂紋起源于閥座的一端，有多處裂紋源，而且這些裂紋源分別在兩個(gè)斷口平面上，如圖11a)所示；其中一個(gè)斷口較為平坦，在裂紋源區(qū)有海灘狀的疲勞弧線，如圖11b)～c)所示；另一個(gè)斷口因裂紋擴(kuò)展速率較快，河流狀特征明顯，屬于失穩(wěn)擴(kuò)展，如圖11d)～e)所示；最終斷裂區(qū)在裂紋源的另一側(cè)，如圖11f)所示。

斷口3的斷裂方式及特征與斷口2的相似；也為兩個(gè)斷口，一個(gè)以疲勞斷裂為主，另一個(gè)為失穩(wěn)快速擴(kuò)展，如圖12所示。

1.1.5 彈簧宏觀及低倍形貌

收集吸氣閥中部分長(zhǎng)短不一的失效彈簧進(jìn)行觀察，如圖13所示。彈簧斷口處未見(jiàn)明顯的塑性變形，為脆性斷裂，如圖14所示。彈簧未斷部位還有坑狀損傷，如圖15所示。

1.2 微觀形貌

1.2.1 閥座斷口微觀形貌

使用掃描電鏡(SEM)分別對(duì)閥座斷口1，2，3進(jìn)行微觀分析。斷口1，2，3微觀形貌相近，現(xiàn)選擇具有代表性的斷口1,2進(jìn)行說(shuō)明。在閥座斷口的裂紋源區(qū)和裂紋擴(kuò)展區(qū)，由于斷口表面附著腐蝕產(chǎn)物且受到碰撞，僅能在斷口上的局部區(qū)域看到疲勞輝紋線；在閥座斷口的最終斷裂區(qū)，由于閥座材料強(qiáng)度較高，使得韌窩較小，如圖16～18所示。

圖10 閥座斷口1的宏觀和低倍形貌Fig.10 Macro and low power morphology of valve seat fracture 1: a) macro morphology of fracture; b) low power morphology of crack source area; c) low power morphology of crack propagation area; d) low power morphology of final fracture area

圖11 閥座斷口2的宏觀和低倍形貌Fig.11 Macro and low power morphology of valve seat fracture 2: a) macro morphology of fracture; b) low power morphology of crack source 1; c) low power morphology of fatigue arc in crack source 1; d) low power morphology of crack source 2; e) low power morphology of crack propagation area; f) low power morphology of final fracture area

圖12 閥座斷口3的宏觀和低倍形貌Fig.12 Macro and low power morphology of valve seat fracture 3: a) macro morphology of fracture; b) low power morphology of crack source 1; c) low power morphology of crack source 2; d) low power morphology of crack propagation area; e) low power morphology of final fracture area

圖13 失效彈簧的宏觀形貌Fig.13 Macro morphology of failed springs

圖14 失效彈簧斷口的低倍形貌Fig.14 Low power morphology at fracture of failed spring

圖15 失效彈簧損傷處的低倍形貌Fig.15 Low power morphology of damaged area of failed spring

圖16 閥座斷口2裂紋源區(qū)的SEM形貌Fig.16 SEM morphology of crack source area of valve seat fracture 2: a) crack source; b) striations line

圖17 閥座斷口1裂紋擴(kuò)展區(qū)的SEM形貌Fig.17 SEM morphology of crack propagation area of valve seat fracture 1: a) crack propagation area; b) striations line

圖18 閥座斷口2最終斷裂區(qū)的SEM形貌Fig.18 SEM morphology of final fracture area of valve seat fracture 2

1.2.2 彈簧斷口微觀形貌

使用SEM觀察彈簧斷口，可見(jiàn)斷口表面覆蓋著腐蝕產(chǎn)物，未見(jiàn)明顯塑性變形，斷口的顯微組織難以看清，但可判斷彈簧為脆性斷裂，有疲勞斷裂的痕跡，且裂紋源產(chǎn)生在斷口尖端對(duì)面,如圖19～20所示。

彈簧表面損傷處呈現(xiàn)外力壓延變形的特征，損傷處基本沒(méi)有腐蝕產(chǎn)物覆蓋，有細(xì)微的劃痕存在，如圖21所示。

圖19 彈簧斷口裂紋源區(qū)的SEM形貌Fig.19 SEM morphology of crack source area of spring fracture

圖20 彈簧斷口裂紋擴(kuò)展區(qū)的SEM形貌Fig.20 SEM morphology of crack propagation area of spring fracture

圖21 彈簧表面損傷處的SEM形貌Fig.21 SEM morphology of damaged area on spring surface

1.3 化學(xué)成分分析

用戶提供的技術(shù)文件顯示該吸氣閥閥座材料為2Cr13鋼。用M11型固定式光譜儀對(duì)閥座材料進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示?？芍撻y座的化學(xué)成分符合GB/T 1220—2007《不銹鋼棒》對(duì)2Cr13鋼的技術(shù)要求。

表1 閥座的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of valve seat (mass fraction) %

1.4 硬度測(cè)試

依據(jù)GB/T 4340.1—2009 《金屬材料 維氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》對(duì)閥座橫截面進(jìn)行維氏硬度測(cè)試，結(jié)果為168.6 HV10(相當(dāng)于158 HB)?？芍y座硬度滿足GB/T 1220—2007規(guī)定的不大于223 HB(退火處理)的要求。

1.5 金相檢驗(yàn)

依據(jù)GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》對(duì)閥座橫截面取樣，制備金相試樣，使用蔡司研究級(jí)正立式智能數(shù)字萬(wàn)能材料顯微鏡進(jìn)行金相檢驗(yàn)。由圖22可見(jiàn)，閥座的顯微組織為球狀珠光體+少量鐵素體，碳化物沿晶界呈斷續(xù)鏈狀分布，為球化退火態(tài)。

圖22 閥座的顯微組織Fig.22 Microstructure of valve seat

2 分析與討論

由宏觀及低倍形貌分析結(jié)果可知裂紋起始于閥座上表面外圈臺(tái)階部分的金屬損傷處，此處為應(yīng)力集中部位，在氫壓機(jī)運(yùn)行期間，隨著吸氣閥閥座上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，裂紋由此位置向兩端不斷擴(kuò)展至密封面破碎處，脫落的金屬碎屑拉傷閥座表面并進(jìn)入氣缸。閥座下表面彈簧壓痕及彈簧斷裂情況說(shuō)明吸氣閥彈簧的彈力過(guò)小，閥片停留在升程限制器上的時(shí)間延長(zhǎng)，當(dāng)活塞接近終止點(diǎn)時(shí)，彈簧的彈力不足以使吸氣閥及時(shí)關(guān)閉，以至于活塞到達(dá)終止點(diǎn)時(shí)，閥片未及時(shí)落到閥座上，出現(xiàn)滯后關(guān)閉的現(xiàn)象[2-3]。同時(shí)活塞從終止點(diǎn)返回，開(kāi)始?jí)嚎s氣體，這時(shí)吸氣閥仍未關(guān)閉，就會(huì)造成一部分進(jìn)入氣缸的氣體又從吸氣閥回竄出去，從而使排氣量減少，此時(shí)閥片由于氣流的不均勻做傾側(cè)運(yùn)動(dòng)，在彈簧和回竄氣流的共同作用下撞向閥座[4]，造成閥片與閥座之間產(chǎn)生劇烈的撞擊，而閥座上表面外圈臺(tái)階存在金屬損傷，此處為閥座應(yīng)力集中部位，劇烈的撞擊加大了應(yīng)力集中處的載荷，如此反復(fù)加快了閥座裂紋源的產(chǎn)生，最終導(dǎo)致閥座在金屬損傷部位開(kāi)裂[5]。

根據(jù)金相檢驗(yàn)結(jié)果可知閥座熱處理狀態(tài)為球化退火態(tài)，顯微組織為球狀珠光體+少量鐵素體，且有碳化物沿晶界呈斷續(xù)鏈狀分布，說(shuō)明球化退火使閥座材料形成較低的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，碳化物沿晶界呈斷續(xù)鏈狀分布使鋼的抗疲勞性能降低。而2Cr13鋼類網(wǎng)狀閥一般采用淬火+中溫回火作為最終熱處理，顯微組織為回火索氏體+鐵素體，具有較高的綜合力學(xué)性能。

由斷口分析發(fā)現(xiàn)在閥座3個(gè)斷口的裂紋源區(qū)和裂紋擴(kuò)展區(qū),由于腐蝕產(chǎn)物附著及表面受到往復(fù)碰撞，可以看到疲勞輝紋線；在3個(gè)斷口的最終斷裂區(qū)，由于閥座材料強(qiáng)度較高，使得韌窩較小。由此判斷3個(gè)斷口的斷裂性質(zhì)相同，均為疲勞斷裂，而且由于閥座受到的交變應(yīng)力較大，3個(gè)斷口均存在多個(gè)疲勞裂紋源。

彈簧的掃描電鏡分析結(jié)果表明彈簧的斷裂性質(zhì)為脆性斷裂，有疲勞斷裂的痕跡[6]。彈簧斷口表面覆蓋著腐蝕產(chǎn)物，裂紋源產(chǎn)生在斷口尖端對(duì)面。彈簧表面損傷處呈現(xiàn)出外力壓延變形的特征，損傷處基本沒(méi)有腐蝕產(chǎn)物覆蓋，有細(xì)微劃痕，說(shuō)明彈簧在閥片上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，受到交變載荷的作用，導(dǎo)致彈簧松弛變形，節(jié)距不等,最嚴(yán)重的是靠近端部的幾圈,節(jié)距已發(fā)生很明顯的變化。因?yàn)楣?jié)距變大,導(dǎo)致剛度下降,使得彈簧自由恢復(fù)高度達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)的要求，致使部分氣閥彈簧出現(xiàn)損壞。

3 結(jié)論及建議

氫壓機(jī)四級(jí)吸氣閥閥座的斷裂模式為疲勞斷裂。因閥座的熱處理工藝不當(dāng)，造成閥座上表面外圈臺(tái)階金屬損傷處產(chǎn)生裂紋源，并在工作循環(huán)載荷作用下向兩端不斷擴(kuò)展，在交變載荷的作用下閥片內(nèi)彈簧也出現(xiàn)斷裂，導(dǎo)致裂紋處應(yīng)力更加集中和閥座承載能力下降，加快了閥座疲勞裂紋的擴(kuò)展，最終導(dǎo)致閥座密封面部分區(qū)域斷裂損傷。

建議在定期維護(hù)過(guò)程中，查看吸氣閥閥座和閥蓋表面是否有凹坑和裂痕，必要時(shí)應(yīng)對(duì)閥座和閥蓋進(jìn)行滲透檢測(cè)，防止閥座和閥蓋表面存在裂紋等缺陷的漏檢；加強(qiáng)到貨驗(yàn)收，用戶應(yīng)在吸氣閥投用前與制造廠家確認(rèn)閥座的熱處理狀態(tài)，確保機(jī)泵零部件制造加工工藝正確，保證關(guān)鍵部件的綜合力學(xué)性能良好；對(duì)拆下來(lái)的吸氣閥進(jìn)行專業(yè)修護(hù)，零部件定期維修或更換，同時(shí)必須根據(jù)泄漏檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)維修后的吸氣閥進(jìn)行氣密性測(cè)試，確保修復(fù)后的吸氣閥可以重新安全使用。