调节阀内部弹性垫圈开裂分析_郑明光.pdf

2023 年第 40 卷 第 2 期石油化工腐蚀与防护 CORROSION PROTECTION IN PETROCHEMICAL INDUSTRY失 效 分 析引用格式:郑明光，侯艳宏，熊江 调节阀内部弹性垫圈开裂分析J 石油化工腐蚀与防护，2023，40(2):49-53ZHENG Ming-guang，HOU Yanhong，XIONG Jiang Cracking analysis of elastic washer inside control valveJ Corrosion Protection in Petrochemical Indus-try，2023，40(2):49-53调节阀内部弹性垫圈开裂分析*郑明光，侯艳宏，熊江(中海油惠州石化有限公司，广东 惠州516086)摘要:弹性垫圈可防止螺栓松动，增强密封性，通常采用弹簧钢或不锈钢等特殊材质制造。调节阀内部弹性垫圈受到周期性载荷应力作用和硫化氢腐蚀，在短期服役后出现断裂，一次断口呈现典型的脆性断裂特征，垫圈内外均有裂纹。根据金相组织分析和扫描电镜分析结果，结合垫圈服役环境分析，认为高温高压环境下由氢气导致氢脆的可能性极小，垫圈断裂的根本原因在于垫圈表面镀铬时氢原子进入钢中，垫圈在后续加工过程中未进行消氢处理或消氢不彻底，造成残留氢在高温条件下短时间内积聚导致垫圈断裂。关键词:调节阀;弹簧垫圈;断裂;氢脆收稿日期:2022-10-28;修回日期:2023-01-28。作者简介:郑明光(1967)，本科，高级工程师，主要从事炼化企业设备管理工作。E-mail:zhengmg cnooc com cn*基金项目:中海油惠州石化科研项目“原油劣质化下的一期炼油装置腐蚀研究”(HZSH-SCXKJ 2020 008)1弹性垫圈基本情况焦过滤器主要用于除去合成气中夹带的固体颗粒。焦过滤器调节阀运行 144 s 后开启反吹，每次反吹时间为 0 2 s，调节阀内部垫圈长期受到间歇性压应力作用。某公司调节阀投用 44 天后出现故障，其中 2个调节阀发生泄漏，其他调节阀开关时发现有金属撞击声音。对发生泄漏的调节阀进行拆解，发现其阀芯和阀杆连接处的弹性垫圈出现断裂，使阀芯开关空行程过大，造成阀门的开度不足。弹性垫圈在阀内位置见图 1。弹性垫圈材质及服役工况见表 1，阀内介质成分及含量见表 2。图 1弹性垫圈在阀内位置表 1弹性垫圈材质及服役工况项目信息材质65Mn 弹簧钢洛氏硬度/HRC42 48表面处理镀铬服役温度/270服役压力/MPa10表 2阀内介质成分及含量项目数值(H2)，%3339(CO)，%4127w(H2S)/(gg1)05w(NH3)/(gg1)05(CO2)，%18742检验分析2 1弹性垫圈的宏观形貌分析弹性垫圈的宏观形貌见图 2。图 2弹性垫圈的宏观形貌94失 效 分 析石油化工腐蚀与防护2023 年第 40 卷从图 2 可以看出，弹性垫圈断口处无明显的塑性变形，断口呈现典型的脆性断裂特征;弹性垫圈虽无厚度损失，但在其断口存在疑似裂纹及腐蚀。2 2弹性垫圈的金相组织分析弹性垫圈的材质为 65Mn 弹簧钢，平均硬度(维氏硬度)为 383 1HV0 1，金相组织为保持马氏体位向的回火屈氏体。弹性垫圈 B1 和 A2 断口处的金相组织及裂纹形态见图 3 和图 4。图 3B1 断口处的金相组织及裂纹形态从图中可以看出，弹性垫圈外环和内环表面均存在白亮镀层，镀层厚度为 20 30 m，镀层中存在裂纹，断口处无镀层。在 B1 和 A2 断口处，垫圈内侧均存在一次裂纹和二次裂纹，且裂纹内部有较厚的灰色腐蚀产物沉积，说明垫圈早已断裂。图 4A2 断口处的金相组织及裂纹形态2 3弹性垫圈的扫描电镜分析2 3 1垫圈断口截面分析采用扫描电镜对垫圈断口截面进行微观形貌观察和能谱分析，结果见图 5。从图 5 可以看出，断口截面的腐蚀产物外部疏松，内部致密。能谱分析结果表明:外层成分为铁的硫化物;内层成分为铁的硫化物和氧化物。05第 2 期郑明光等 调节阀内部弹性垫圈开裂分析失 效 分 析图 5垫圈断口截面的 SEM+EDS2 3 2垫圈外环和内环截面分析垫圈外环和内环截面的微观形貌及能谱分析图谱见图 6 和图 7。垫圈外环和内环截面均附着疏松的颗粒状腐蚀产物，经分析其成分为铁的硫化物;腐蚀产物层向内是金属镀层，镀层中存在裂纹;腐蚀介质通过镀层裂纹进入镀层内金属基体并产生腐蚀，此处腐蚀产物主要由铁、硫和氧元素组成，但其硫含量已明显下降。图 6垫圈外环截面的 SEM+EDS15失 效 分 析石油化工腐蚀与防护2023 年第 40 卷图 7垫圈内环截面的 SEM+EDS3结果与讨论为满足高温使用条件，调节阀内部弹性垫圈选用 65Mn 弹簧钢，经过淬火和回火后具有较高的屈强比。理化检验分析结果表明，垫圈的显微组织及硬度均符合 65Mn 弹簧钢材质要求。弹性垫圈断口呈现脆性断裂形貌特征，内外环均有起始裂纹，不符合应力腐蚀开裂特征。弹性垫圈在高温高压临氢环境下服役，服役温度为270，液态水存在的可能性很低，发生湿硫化氢应力腐蚀开裂的条件不足。弹性垫圈在运行44 d 后出现断裂，短时间内由氢气导致氢脆的可能性非常低，因为根据相关报道，经过一到数月的时间，在高压气态环境中进入钢中的氢质量分数不到0 000 04%1。由于弹性垫圈在制造过程中消氢不彻底，容易导致氢脆断裂。在高强度的弹性垫圈表面镀铬，极易造成垫圈内部充氢。零件镀铬时不稳定的氢化物会在其表面沉积，其中一部分会分解成氢原子进入钢中。只有将镀铬零件加热到440 以上进行消氢处理才能保证消氢效果2。如果弹性垫圈镀铬后未及时进行消氢处理或消氢不彻底，就极易造成氢残留，由于垫圈强度较高，服役时会产生大幅度变形，局部区域存在应力集中，从而导致氢脆断裂。弹性垫圈断口截面存在较厚的腐蚀产物，裂纹内部也被腐蚀产物填满，这说明垫圈开裂后发生了高温腐蚀，腐蚀介质为调节阀内的 H2S 介质3。完整致密的镀铬层可防止高温 H2S 腐蚀，但当镀铬层出现裂纹时，镀铬层里面的垫圈母材就会发生高温 H2S 腐蚀。4结论与建议弹性垫圈断裂的根本原因在于垫圈表面镀铬时氢原子进入钢中，垫圈在后续加工过程中未进行消氢处理或消氢不彻底，导致垫圈发生氢脆断裂。建议在垫圈制造时严格控制电镀过程工艺参数，并对垫圈进行消氢及返修处理以预防氢脆。参考文献 1褚武扬，乔利杰，李金许，等 氢脆和应力腐蚀M 北京:科学出版社，2013CHU W Y，QIAO L J，LI J X，et al Hydrogen embrittlementand stress corrosion M Beijing:Science Press，2013 2程玉峰 高压氢气管道氢脆问题明晰J 油气储运，2023，42(1):1CHENG Y F Essence and gap analysis for hydrogen embrittle-ment of pipelines in high-pressure hydrogen environmentsJOil Gas Storage and Transportation，2023，42(1):1 3胡洋，李文戈，谷其发 炼油厂设备腐蚀与防护图解M 北京:中国石化出版社，2015HU Y，LI W G，GU Q F Corrosion and protection diagram ofrefinery equipmentM Beijing:China Petrochemical Press，2015(编辑唐应彪)25第 2 期郑明光等 调节阀内部弹性垫圈开裂分析失 效 分 析Cracking analysis of elastic washer inside control valveZHENG Mingguang，HOU Yanhong，XIONG Jiang(CNOOC Huizhou Petrochemicals Company Limited，Huizhou 516086，China)Abstract:Elastic washer can prevent the bolt from loosening and enhance the sealing performance It is usually made of specialmaterials such as spring steel or stainless steel The elastic washer inside control valve is subject to periodic load stress and hy-drogen sulfide corrosion，so it breaks after short-term service The primary fracture shows typical brittle fracture feature，andthere are cracks inside and outside the washer According to the results of metallographic structure analysis and scanning electronmicroscope analysis，combined with service environment of the washer，it is considered that the possibility of hydrogen embrittle-ment caused by hydrogen under high temperature and high pressure environment is very small The root cause for broken washeris that hydrogen atoms enter the steel when washer surface is chrome-plated，however the washer hasn t been through hydrogenremoval treatment or hydrogen removal is incomplete during subsequent processing，thus causing accumulation of residual hydro-gen in a short time under high temperature condition，eventually leading to washer fractureKey words:control valve;elastic washer;crack;hydrogen embrittlement石油化工腐蚀与防护 被国际学术期刊数据库 EBSCO 收录近日，经过国际著名学术期刊数据库 EBSCO 的遴选和评审，石油化工腐蚀与防护 被 EBSCO 数据库正式收录。自 2022 年第 6 期开始，石油化工腐蚀与防护 刊发的论文将在全球范围内更广泛传播。EBSCO 数据库是全球最大的多学科学术期刊数据库及综合性商业资源全文数据库，涉及自然科学、社会科学、人文艺术等多种学术领域。该数据库致力于收录优质期刊，促进国际间学术交流，提高期刊的知名度、引用次数以及在国际学术界的影响力，以满足全球范围广大终端用户不同层次的信息需求，EBSCO 平台日均搜索次数达 1 75 亿。石油化工腐蚀与防护(CN 411248/TQ，ISSN 1007015X)创刊于1984 年，旨在服务国家战略，聚焦能源化工行业腐蚀与防护领域的最新研究成果及实践经验，促进能源化工行业防腐蚀技术不断进步，内容涵盖油气田、石油化工、煤化工及新能源领域腐蚀规律探讨、腐蚀试验研究、腐蚀防护技术、设备选材、腐蚀监测与检测、防腐蚀经验以及有关标准等，兼具新颖性、实用性、先进性和学术性。期刊被中国知网、万方数据