管法兰金属波齿复合垫片失效分析

管法兰金属波齿复合垫片失效分析朱华平;魏安安【摘要】某石化公司DCC装置烟机进口管道法兰上的DN900金属波齿复合垫片在开车过程中断裂并泄漏.经过宏观检查，力学性能测试应力计算，能谱、金相、电镜分析,表明其失效原因是波齿复合垫片骨架材料存在孔洞缺陷和氧化物夹杂.针对失效原因提出了今后使用过程中应采取的防护措施.【期刊名称】《压力容器》【年(卷)，期】2010(027)010【总页数】6页(P50-55)【关键词】烟气;管道法兰;金属波齿垫;失效;分析【作者】朱华平;魏安安【作者单位】中国石化股份有限公司，荆门分公司，湖北，荆门,448039;江苏工业学院,江苏，常州,213016【正文语种】中文【中图分类】TQ055.80引言某公司DCC装置烟机进口侧的烟气管道带颈对焊法兰的DN900柔性石墨不锈钢波齿复合垫片(以下简称波齿垫片)在烟机检修后开车过程中，沿周向出现4个漏点，2天后突然大量泄漏。停机检查发现，波齿垫片已碎裂成多块碎片，现场收集到3块不锈钢骨架，其中最大的一块长110mm。为确保安全生产，避免此类事故再次发生，确定该批波齿垫片能否继续使用以及使用过程中应注意的问题，对波齿垫片的失效原因进行分析，具有重要的经济价值和工程意义。1失效现场调研烟机是DCC装置最重要的能量回收机组，烟机进口介质为从再生器出来的烟气，正常操作温度650OC，压力0.15MPa。烟气现场采样分析，主要成分包括N2(70.92%),02(2.14%),H2O(14.14%)和CO2(0.69%),未见明显的酸性物质。另外烟气中还含有催化剂颗粒，颗粒浓度在200g/m3以下，颗粒粒径在10pm以下;烟气露点温度145C。烟气管道材质0Cr19Ni10不锈钢，无衬里，带外保温。波齿垫片的上下表层为柔性石墨，骨架材料为304不锈钢。烟机检修后的开车过程中，按照10C/h的速度进行升温，最后达到操作温度650C，压力0.15MPa，事故发生前，对法兰泄漏部位进行了热紧处理。失效垫片是检修后刚换的新垫片，从投用到失效仅3天时间。停机后拆开法兰检查，发现垫片已经碎成十多块，保留完好的只有其中较小的3块。这3块碎片中最大的一块环向长度110mm，宽度方向完整(见图1(a)),最小的一块只有25mmx20mm,见图1(b)。为了进一步查找垫片失效原因，对现有的3个碎片取样并进行测试分析。图1碎片宏观照片2波齿垫片的宏观检查从图1(a)可以看出，该碎片没有明显的塑性变形;左边断口大体沿直径方向，且垫片厚度方向断面比较平齐;右边断口与径向约成45°，沿厚度方向有部分剪切唇。另外2个碎片上的断口基本上呈平齐状。根据GB/T19066.2—2003《柔性石墨金属波齿复合垫片管法兰用垫片尺寸》[1]中对DN900波齿垫片尺寸的规定，垫片的内径为0914mm,夕卜径为0972mm,包括石墨复合层的总厚度T=4mm。实测失效波齿垫片宽度29mm。由于波齿垫片上的石墨层已经脱离骨架，总厚度无法测得;不锈钢骨架上的沟槽为6.5圈，骨架厚度在2.6~2.7mm之间。从车间库存的DN100的波齿垫片上测得的包括石墨层的总厚度为3.9~4.0mm,不锈钢骨架厚度2.9mm。库存新垫片由于还没有被压，所以骨架厚度比已经被压过的失效垫片稍厚一点，说明它们原始厚度是相同的，由此可以推论，失效垫片的总厚度也为3.9~4.0mm左右。根据GB/T19066.2—2003[1]和GB/T19066.3—2003[2],DN900的波齿垫片的总厚度应为T=4+0.30mm，所以失效波齿垫片厚度有些部位比标准规定值略小一些。3波齿垫片骨架材料化学成分和力学性能测试与评价3.1波齿垫片骨架材料化学成分分析根据失效垫片材质证明资料，波齿垫片骨架材质为304不锈钢。为了了解该波齿垫片的化学成分是否满足304不锈钢标准要求，从失效垫片骨架上取样并分析了C,Si,Mn,S,P,Cr,Ni,Ti等元素的含量，分析结果见表1。304不锈钢相当于GB4237—92《不锈钢热轧钢板》[4]标准中的0Cr18Ni9。可以看出，失效波齿垫片骨架材料的化学成分符合标准中对304和0Cr18Ni9的要求。3.2波齿垫片骨架材料常温及高温力学性能测试为了准确评估波齿垫的性能，在详细了解波齿垫片骨架材料化学成分的基础上进一步测试了其力学性能。包括拉伸强度、屈服强度和断后伸长率。表1波齿垫片骨架材料化学成分分析结果%?3.2.1常温拉伸性能测试测试结果见表2。表2波齿垫片骨架材料常温拉伸性能数据？可以看出，失效波齿垫片骨架材料常温下的屈服极限、强度极限、断后伸长率等均符合标准要求。3.2.2高温拉伸性能测试根据GB/T4338—1995《金属材料高温拉伸试验》［6］的要求，在600°C下对波齿垫片骨架材料进行高温拉伸性能测试，测试结果见表3。表3波齿垫片骨架材料高温(600C)力学性能数据？可以看出，失效垫片骨架材料在600C下的。0.2大于GB150—98［8］中规定的0Cr18Ni9(304)在600C下的。0.2(此值是根据550C以下的规定值外推得到的)。4波齿垫片的应力分析4.1波齿垫片密封面接触应力分析4.1.1垫片结构尺寸失效波齿垫应用在烟机进口烟气管道法兰上，该法兰为带颈对焊凹凸面法兰，采用DN900的柔性石墨波齿垫片密封。垫片内径dn=914mm，夕卜径dw=972mm,宽度N=29mm。4.1.2事故工况下的工艺参数工作压力p=0.15MPa，工作温度T=650C。4.1.3垫片压缩应力分析根据GB150—1998［8］，在预紧状态下，垫片上的最小压紧力Fp为：在操作工况下，垫片上的最小压紧力Fp为：式中b垫片的有效密封宽度=9.63mmbo垫片的基本密封宽度，bo=N/2=14.5mmDG——垫片反力作用位置的直径，mm。因bo>6.4mm，故DG=垫片接触面夕卜径-2b=952.7mmy一垫片的比压力，MPa,对不锈钢波齿垫，参照GB150中槽形金属垫片的值，取y=69.6MPam——垫片系数，对不锈钢波齿垫，参照y取值方法，取m=4.25波齿垫片压紧时与法兰密封面的接触面积为垫片因压紧而发生塑性变形后的接触面积。根据事故发生后波齿垫碎片上压紧痕迹，取实际接触面积为名义面积的1/6,则实际接触面积为：预紧状态下垫片压缩应力：操作状态下垫片压缩应力：可见两种情况下的设计压缩应力远小于垫片材质的强度极限802.7MPa（常温）和792.9MPa（高温）。由于法兰上的紧固螺栓采用扭矩扳手控制预紧力，故实际螺栓预紧力与上述计算值相差不大，故垫片不会因压缩而碎裂。4.2内压产生的垫片内应力事故发生时，垫片内径处受内压，其值为0.15MPa，垫片的2个密封面受操作状态下的轴向密封压紧应力，按上文计算结果，其值约为oc=2.6MPa。垫片在内压作用下有向外变形的趋势，但在法兰轴向密封压紧应力引起的径向摩擦力作用下，其变形受到一定约束，而这种约束对内压引起的垫片环向应力有降低作用。为简化计算，忽略该径向摩擦力，其结果是偏向保守的。采用厚壁圆筒的应力计算公式，垫片任意位置的径向应力or、环向应力。。分别为：式中d——垫片中任意位置处的直径，mm代入上述各参数数值，则垫片内、夕卜侧的应力见表4。表4内压弓|起的应力？4.3热应力分析[9]4.3.1垫片内夕卜侧温差所产生的热应力同4.2节假设，采用厚壁圆筒的温差应力计算公式，垫片径向内外表面温差所产生的热应力计算结果如下：内侧周向与轴向热应力分别为：外卜侧周向与轴向热应力分别为：其中：式中E——骨架材料的弹性模量，取E=1.47x105MPaa——骨架材料的线膨胀系数，取a=18.87x10-6mm/mm・°CM——骨架材料的波松比，取M=0.3Ti,To——垫片内、外卜测温度，偏保守取Ti=650C，实测To=480C垫片内、夕侧径向应力分别为：4.3.2螺栓与法兰、垫片间温差所产生的热应力两个法兰之间用28个M30x2的螺栓连接，螺栓与法兰均为低Cr-Mo钢。螺栓实测温度为40C，法兰垫片的温度约600C。先分别计算螺栓与法兰垫片在各自温度下的自由伸长量，然后根据螺栓的总拉力与法兰垫片的总压缩力相等、螺栓与法兰垫片的变形协调等条件建立方程组，求得垫片的内夕卜侧压应力均不超过256.8MPa，即。=-256.8MPa。4.4垫片当量应力计算将作用在垫片上的密封压紧应力，内压产生的应力，垫片内夕卜测温差产生的热应力，螺栓与法兰垫片间的温差产生的热应力在3方向上分别叠加后，得到垫片内夕卜侧3个方向的总应力如表5所示。表5垫片3个方向的总应力MPa?按照第四强度理论可以求得当量应力oeq,则：垫片内侧当量应力：垫片外侧当量应力：可见，内夕卜侧当量应力均小于垫片材料在650°C下的强度极限792MPa,所以正常情况下不会仅仅因为这些应力而发生突然断裂。5宏观断口观察最小的碎片断口的宏观照片如图2所示。图2宏观断口可以看出，断口上存在肉眼能够看到的一个直径大约0.7mm的孔洞，而且沿孔洞附近形成了穿透垫片厚度的裂纹。从放大镜下观察到的形貌看，该孔洞属于冶金或轧制过程中形成的缺陷。6波齿垫片骨架材料的硬度、金相、扫描电镜、能谱检测6.1硬度检测对失效波齿垫片骨架材料的硬度进行了检测，测得硬度平均值为HV187。GB4237—92《不锈钢热轧钢板》中规定0Cr18Ni9(304)在固熔态的硬度为《HV200。可见实测值比标准规定的最大值小一些，在正常范围内。6.2金相组织检验对失效波齿垫片的金相组织进行了未浸蚀和浸蚀两种情况下的金相组织检验。未浸蚀的金相组织见图3。图3未浸蚀的金相组织100x可以看出，材料内部存在较严重的孔状缺陷。6.3断口扫描电镜检验对试样上的原始断口进行了电子显微镜扫描。主要结果如图4所示。图4的水平方向为垫片厚度方向。从图4(b)可以看出，中间层两侧出现裂纹。这表明材料加工过程中变形不均匀，造成材料内部和表层性能的区别。从图4(a)可以看出，断口上存在较多的球形颗粒。根据形貌来看，这些球形颗粒应为材料内部夹杂。另外在其他断口上还看到了大量的粉末状颗粒，表明在事故发生前经受了一定程度的氧化腐蚀。6.4能谱分析对图4(b)中断面上有粉末状颗粒物的部位进行能谱分析。结果表明，这些颗粒主要成分均相同，都为Fe,Cr的氧化物。这说明，材料在断裂前经受了一定时间的高温氧化腐蚀。对催化剂也进行了能谱分析，结果表明催化剂的主要成分为Al,Si的氧化物。这也从侧面说明图4(b)断面上的颗粒物不是催化剂。7失效原因分析从以上的测试分析可以看出：从宏观上看，垫片的断口呈现脆性断裂的特征，没有发生明显的塑性变形，在最小的一块碎片断口上肉眼能够看到一个直径大约0.7mm的孔洞，而且沿孔洞附近形成了穿透垫片厚度的裂纹;从微观上看，垫片材料中存在较严重的孔洞、氧化物夹杂等原始缺陷，在孔洞两侧也有开裂的裂纹，该裂纹面上已生成大量Fe，Cr的氧化物，说明该裂纹已经经受了一段时间的高温，或者说在垫片断裂之前，裂纹就已经开裂了。垫片骨架材料的化学成分符合标准中对304和0Cr18Ni9的要求。应力分析结果表明，波齿垫片在高温、螺栓预紧力、内压的共同作用下，最大当量应力为523.9MPa，超过了材料的屈服极限，达到材料在操作温度650°C下的强度限792MPa的66%。正常情况下不会仅仅因为这些应力而发生突然断裂。综合以上分析结果可看出，从仅有的3块碎片材料中就发现存在较严重的孔洞缺陷和氧化物夹杂，这些缺陷在服役过程中易产生应力集中，加之波齿垫片的工作应力较大(最大值为523.9MPa,超过材料在操作温度下的屈服限)，因而容易造成微裂纹萌生，萌生的微裂纹表面在高温下氧化，使得裂纹的扩展过程加速，进而造成快速断裂。从现有碎片检测结果看，其他碎片可能也有类似的冶金缺陷，因而导致波齿垫片裂成很多碎片。该波齿垫片先小漏了2天，沿周向有4个漏点，然后突然大漏。说明在波齿垫片完全解体之前，已经有多处开裂并泄漏，在含有催化剂颗粒的介质冲刷下，加速了裂纹的扩展，当开裂部位增加到一定数量、裂纹扩展到较大尺寸时，整个波齿垫片突然解体。8预防措施加强对波齿垫片骨架原材料的检验，尤其是钢板内部的质量检验，必要时进行超声检测；紧固法兰螺栓时，采用扭矩扳手控制预紧力，并按照规定的程序对称、均匀地紧固；采取合理的保温措施，减少螺栓、法兰和波齿垫片之间的温差，以降低其温差应力。采取上述措施，特别是加强了波齿垫片304不锈钢板骨架材料的质量控制后，未再发生上述类似事故。参考文献：【相关文献】GB/T19066.2-2003，柔性石墨金属波齿复合垫片管法兰用垫片尺寸[S].GB/T19066.3—2003，柔性石墨金属波齿复合垫片技术条件[S].[3]ASMESA24