高压止回阀高压级高压级高压级高压级高压连接管接结构的失效分析

高压止回阀高压级高压级高压级高压级高压连接管接结构的失效分析

0火炬气压缩机回收利用近年来，随着经济的发展，阀行业发展迅速，导致阀失败的问题，严重影响了系统的正常运行。因此，有必要分析并确定失败的原因，并提出改进措施。某压缩机理论输气量2000m3/h,实际测定输气量1800m3/h,是四列、六级氮氢气体压缩机,该止回阀是关键设备,工作环境为含氢量大于50%的变换气系统,阀体的材料为35号钢,工作压力32MPa,工作温度170℃。高压止回阀上流腔的结构如图1所示。1国外的物理和化学试验1.1断口表面粗糙度断口的宏观特征分析是失效分析的基础,查找断裂源是宏观分析的最重要环节。上流腔阀体的断口宏观形貌见图2,裂纹扩展路径见图3。从阀体端口的宏观形貌分析发现:(1)阀体宏观断口可以分为平齐光整区和粗糙区两个部分,平整区为裂纹的疲劳扩展区,表面基本光滑,疲劳扩展速率较低,表现低应力高周疲劳扩展特征;但是到了裂纹扩展区后期,断口表面逐渐粗糙并开始出现放射状台阶,裂纹扩展速度逐渐加快,出现韧性撕裂台阶,其主要原因是由于断裂部位有效承载面积逐渐缩小、应力逐渐加大所致。粗糙区为最终瞬断区,断口呈结晶状,表明材料呈脆性特征,该区面积不足整个断口的10%,表明止回阀工作应力远低于其抗拉强度,止回阀强度设计余量充裕,断口属于宏观脆性断口。(2)疲劳裂纹在阀体外表面台阶处形成并扩展至接近阀体内表面时,裂纹扩展方向从原先垂直于阀体轴线方向转为沿着与轴线45°方向扩展。其原因可能是随着阀体有效壁厚的减薄,材料显示出一定的塑性,发生剪切断裂。(3)疲劳裂纹的萌生之处位于阀体台阶处,存在应力集中,而应力集中是诱发疲劳裂纹形成的重要因素之一。同时,由于裂纹均沿着台阶处发展,可以确认疲劳裂纹源生成于止回阀体台阶的外表面。1.2产品体材料成分在裂纹源区附近取样并进行化学成分分析,分析结果(见表1)表明:(1)阀体材料成分符合GB/T699—2008《优质碳素结构钢》中所规定的35号钢的成分要求,可以确定该阀体材料为35号钢;(2)阀体断口表面腐蚀产物主要是氟元素和少量铁、钙、钠等金属元素,氟元素系阀体断裂后由灭火剂带入。1.3材料力学性能对产生裂纹处的阀体材料的力学性能(见表2)检验,可以帮助确定产生裂纹的原因是否由于材料的力学性能不合要求引起的。阀体材料力学性能测试结果表明:(1)阀体材料的抗拉强度和塑性基本符合要求,但是均接近标准下限要求,其中屈服强度还略低于标准要求;(2)阀体内层和外层材料性能差别不大,内层强度略高于外层,可能是加工处理造成的;(3)阀体材料的冲击吸收功值远低于标准要求,显然,该阀体材料晶粒粗大是导致其冲击吸收功值下降的重要原因,也是导致阀体发生早期疲劳断裂的根本原因。1.4光体+适当脆性混杂物的化学性能阀体材料的金相显微组织分析结果见图4,5。阀体材料的金相显微组织分析表明:(1)阀体材料的金相显微组织为铁素体+珠光体+少量脆性夹杂物,材料晶粒度等级为3级,属于粗晶粒,说明该阀体在正火处理过程中产生了过热;(2)35号钢的正火温度为870℃,而该阀体为900℃(原始正火处理工艺记录见图6),导致阀体材料发生过热现象;(3)阀体组织中存在少量脆性夹杂物及其脱落后留下的黑色孔洞,其中阀体内层组织中夹杂物数量较多。夹杂物的存在会进一步降低阀体材料的抗疲劳强度。1.5断口微观形貌阀体原始断口裂纹扩展区的微观形貌见图7。微观断口表面布满腐蚀产物,虽然疲劳辉纹已被严重腐蚀而不可见,但是微观断口在疲劳断裂过程中发生相互撞击而形成的平整区可以表明断口的疲劳断裂性质。阀体材料冲击试样断口微观形貌见图8,9。可以看出,阀体内外层材料冲击断口微观形貌均具有准解纹理断口特征,表明阀体材料具有很高的脆性。同时还在阀体内层材料冲击断口上观察到一些微观孔洞,其尺寸跟金相照片中的夹杂物尺寸相当,系由阀体材料中脆性夹杂物在冲击断裂后脱落所致。2关于喷射结构的金元分析2.1拉应力载荷及加载根据结构特点和载荷性质,取上流腔阀体右半部分建立模型,采用1/4三维力学模型,阀体均采用20节点实体单元(Solid95)进行网格划分,管程内表面施加管程压力载荷P,阀体左端部施加相应的拉应力载荷Pc,阀体右端部施加全约束,对称面施加对称约束,加载情况见图10。图11示出在外表面,台阶处存在应力集中,比本体应力大,导致疲劳开裂源;同时有限元应力分析表明,疲劳裂纹源区(阀体外表面台阶处)最大应力81.12MPa,远小于材料的许用应力137MPa,证明该止回阀强度设计余量充裕,属于低应力循环,这与阀体宏观断口形貌分析结论一致。2.2材料有限元分析采用三维力学模型,首先建立整体模型,然后建立局部裂纹体模型。裂纹长度取圆周的1/12。裂纹尖端附近生成二维单元,而后通过ANSYS命令KSCON在裂纹尖端生成奇异单元,然后采用平面Solid95单元将生成的面网格沿裂纹深度方向进行体扫略生成三维单元。对于其余实体,采用规则与自由划分相结合的方法进行划分,有限元模型见图12。在内表面施加载荷P=32MPa,上端施加全约束,有限元分析结果见图13。根据工程断裂力学,以应力强度因子为参量的断裂准则为:K1=K1C。当材料的应力强度因子大于平面应变断裂韧度,材料将会产生开裂扩展。依据API579-12007中有关冲击功与K1C换算关系,由表2中给出的实测值冲击功换算得到,35号钢的平面应变断裂韧度K1C(200℃)为17MPa/mm1.5。缺陷评定见表3。根据评定结果,当裂纹扩展到近1/6圆周时,应力强度因子大于平面应变断裂韧度,将发生断裂失效。3拉伸和冲击吸收功测试(1)止回阀上流腔阀体断裂属于疲劳断裂,疲劳裂纹源位于阀体外表面台阶应力集中处;(2)止回阀上流腔阀体宏观断口分析及有限元应力分析表明,止回阀工作应力远低于其抗拉强度,断口属于低应力高周疲劳断裂;(3)止回阀上流腔阀体材料的拉伸试验和冲击吸收功测试结果表明:阀体材料强度和塑性基本达标,但是均接近标准下限;冲击吸收功远远低于标准要求,表现出明显的脆性特征;(4)阀体材料为35号钢,所采用的热处理工艺为正火处理,其基本显微组织为铁素体+珠光体+少量脆性夹杂物,但是晶粒粗大,晶粒度为3级,表明该阀体在正火处理过程中产生了过热,这是