壓力管路超高壓過濾器的失效分析

劉紅安

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)深水鉆采技術(shù)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(tǒng)中必不可少的重要液壓系統(tǒng)附件，隨著我國對超高壓管路的應(yīng)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(jìn)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(xiàn)超高壓液壓過濾器的國產(chǎn)化，某公司研發(fā)了一款超高壓液壓過濾器，為適應(yīng)腐蝕性介質(zhì)與海洋環(huán)境等應(yīng)用的需求，其主體材質(zhì)使用了高強(qiáng)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(jìn)行了檢驗與分析。

2 過濾器結(jié)構(gòu)

此過濾器為壓力管路超高壓液壓過濾器，主體結(jié)構(gòu)有濾頭、濾筒和濾芯，并帶有旁通閥和發(fā)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(shè)計，根據(jù)TSG R0002-2005《超高壓容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)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(nèi)直徑；nb為爆破安全系數(shù)；P 為爆破安全系數(shù)；φ為設(shè)計溫度下材料強(qiáng)度減弱系數(shù)；Rp0.2為材料在常溫下的屈服強(qiáng)度下限值，MPa；Rm為材料在常溫下的抗拉強(qiáng)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(shè)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(nèi)徑；Pe為額定工作壓力，MPa；nb為爆破安全系數(shù)；為材料在常溫下的屈服強(qiáng)度下限值，MPa。

代入相應(yīng)數(shù)據(jù)，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(shè)計值符合要求。

3.2 化學(xué)成分分析

將濾筒進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1，其化學(xué)成分符合ASTM A564/A564M-19 對S17400 鋼的成分要求。

表1 S17400 的化學(xué)成分檢測%

由此可見，S17400 鋼的成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.3 斷面分析

對斷裂面進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)有閃爍金屬光澤的結(jié)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(xué)性能檢驗

對斷裂濾筒進(jìn)行取樣，進(jìn)行拉伸試驗，結(jié)果見表2，其中，抗拉強(qiáng)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(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表2 S17400 的力學(xué)性能檢驗

3.5 濾筒裂紋分析

對斷裂濾筒進(jìn)行超聲波裂紋檢測，未發(fā)現(xiàn)裂紋，結(jié)果見表3。

表3 濾筒裂紋測試

3.6 應(yīng)力模擬分析

用軟件模擬，進(jìn)行應(yīng)力分析，發(fā)現(xiàn)最大應(yīng)力處為濾筒的底部，最大應(yīng)力值為3722.65MPa,遠(yuǎn)大于此濾筒材料的實際抗拉強(qiáng)度，如圖2 所示。

圖2 濾筒應(yīng)力分析

3.7 原因分析

由以上化學(xué)成分與力學(xué)性能的檢驗結(jié)果可知，此濾筒材料的化學(xué)成分符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)要求，抗拉強(qiáng)度符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)要求，但最小伸長率不符合要求，塑性明顯不足。再根據(jù)對斷面裂紋的查看，斷面位于濾筒底部，經(jīng)確認(rèn)，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(yīng)力集中，經(jīng)應(yīng)力模擬分析，其應(yīng)力達(dá)到3722.65MPa，遠(yuǎn)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(yīng)力遠(yuǎn)超抗拉強(qiáng)度的情況下，首先產(chǎn)生了微裂紋，在裂紋達(dá)到一定尺寸時，迅速擴(kuò)大，最終導(dǎo)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(jié)晶狀，斷裂紋路指向裂紋源。

4 改進(jìn)驗證

根據(jù)以上的檢驗與分析，由于S17400 不銹鋼材質(zhì)的塑性較低，且其可能發(fā)生脆性斷裂的性質(zhì)，將材質(zhì)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(yīng)力集中現(xiàn)象，首先對其進(jìn)行最小壁厚設(shè)計核算，驗證合格后，再對設(shè)計模型進(jìn)行應(yīng)力模擬分析，確定設(shè)計合理后，加工濾筒，在加工前，對原材料進(jìn)行化學(xué)成分檢測與力學(xué)性能檢測，并對加工濾筒的原材料與加工后的濾筒進(jìn)行裂紋檢測，確定無裂紋，最終進(jìn)行壓力測試驗證。

4.1 最小壁厚設(shè)計核算

（1）濾筒圓周方向壁厚設(shè)計計算。此濾筒壁厚設(shè)計屬于超高壓壁厚設(shè)計，根據(jù)TSG R0002-2005《超高壓容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)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(yīng)數(shù)據(jù)，計算最小壁厚為：16.8mm，設(shè)計的最小壁厚為23mm，因此，濾筒底部的最小壁厚設(shè)計值符合要求。

（2）濾筒底部最小壁厚設(shè)計計算。參考HB 6779-93《航空液壓過濾器設(shè)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(yīng)數(shù)據(jù)，計算濾筒底部最小壁厚為：21.9mm，設(shè)計的最小壁厚為23mm，濾筒底部最小壁厚設(shè)計值符合要求。

4.2 設(shè)計模型應(yīng)力模擬分析

用軟件對模型進(jìn)行應(yīng)力分析，設(shè)計最大應(yīng)力處已由濾筒底部圓周處變更到濾筒底部的小孔內(nèi)，且最大應(yīng)力值為459.460MPa,小于此濾筒材料的抗拉強(qiáng)度，如圖3所示。

圖3 濾筒設(shè)計模型應(yīng)力分析

4.3 化學(xué)成分檢測

對濾筒的原材料進(jìn)行化學(xué)成分檢測，結(jié)果見表4，其化學(xué)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(xué)成分 %

4.4 力學(xué)性能檢驗

對濾筒的原材料，進(jìn)行力學(xué)性能檢驗，結(jié)果見表5，力學(xué)性能均符合要求。

表5 S31803 雙相鋼的力學(xué)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(jìn)行超聲波裂紋檢測，未發(fā)現(xiàn)裂紋，結(jié)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(jìn)行超聲波裂紋探傷，未發(fā)現(xiàn)裂紋，結(jié)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(jìn)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(jié)語

（1）在設(shè)計超高壓液壓過濾器時，應(yīng)選擇塑性好、強(qiáng)度高的材料，并按標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行裂紋檢測。（2）在設(shè)計時，應(yīng)避免應(yīng)力集中現(xiàn)象。（3）對設(shè)計的濾筒進(jìn)行應(yīng)力分析可以幫助發(fā)現(xiàn)最大應(yīng)力點(diǎn)，并對不合理的結(jié)構(gòu)加以優(yōu)化。