本文對(duì)柴油加氫裝置往復(fù)機(jī)一次出口緩沖罐底部導(dǎo)閥在運(yùn)行過程中出現(xiàn)的故障進(jìn)行了分析。采用原位觀察、宏觀斷口分析、金相分析、顯微斷口觀察、材料成分分析、硬度測(cè)試等多種方法來調(diào)查失效原因。調(diào)查結(jié)果表明，該故障是由于導(dǎo)流噴淋閥在制造和焊接過程中閥體與法蘭未熔合造成的。這種未熔合導(dǎo)致操作過程中焊縫疲勞失效，最終導(dǎo)致閥門破裂和脫落。鑒于設(shè)備暴露在交替的工作條件和振動(dòng)下，疲勞失效的存在很普遍，并對(duì)石化工廠及其周圍環(huán)境構(gòu)成重大威脅。該故障分析對(duì)于今后石化設(shè)備零部件的質(zhì)量檢驗(yàn)具有重要參考價(jià)值。此外，還可以幫助企業(yè)降低整個(gè)設(shè)計(jì)、安裝和維護(hù)過程中的風(fēng)險(xiǎn)，從而減少發(fā)生類似事故的可能性。
介紹
在工程中，80% 以上的斷裂失效是由疲勞造成的，使其成為最常見的失效模式之一?！捌凇钡母拍钣刹祭姿鬼f特于1854年首次提出，這一領(lǐng)域的研究已經(jīng)跨越了一個(gè)多世紀(jì)。通過研究機(jī)械結(jié)構(gòu)的疲勞行為并開發(fā)相關(guān)技術(shù)，該領(lǐng)域已從經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)發(fā)展到安全設(shè)計(jì)。這提高了設(shè)備的疲勞可靠性并降低了工程應(yīng)用中發(fā)生事故的可能性。
疲勞失效通常是由于承受循環(huán)載荷的機(jī)械部件中裂紋的萌生和擴(kuò)展而引起的。當(dāng)這些裂紋達(dá)到臨界尺寸時(shí)，剩余的橫截面積無法再支撐載荷，材料就會(huì)破裂。疲勞裂紋通常形成于焊接接頭處，焊縫處的缺陷（幾何不連續(xù)性）是此類裂紋的常見來源。與焊接相關(guān)的疲勞缺陷包括非金屬夾雜物、孔隙、材料缺陷、幾何缺陷（例如，表面粗糙度和制造過程產(chǎn)生的二次凹口），以及由機(jī)械沖擊、接觸疲勞或其他因素引起的表面損傷。
疲勞在石化廠中也很普遍，疲勞斷裂是設(shè)備和管道失效的重要形式。與泵和壓縮機(jī)連接的設(shè)備和管道，以及在交替條件下運(yùn)行的設(shè)備和管道（例如吸附塔和焦炭塔）特別容易疲勞。因此，這些區(qū)域和設(shè)備被認(rèn)為是疲勞失效的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。疲勞損傷通常發(fā)生在三個(gè)階段：微裂紋萌生、宏觀裂紋擴(kuò)展和瞬時(shí)斷裂。盡管起始階段經(jīng)歷的時(shí)間是最長(zhǎng)的，但檢測(cè)起來卻很困難。相比之下，導(dǎo)致瞬時(shí)斷裂的宏觀裂紋的擴(kuò)展發(fā)生得相對(duì)較快。因此，疲勞失效往往難以被提前發(fā)現(xiàn)，使得企業(yè)遭受經(jīng)濟(jì)損失，甚至造成人員傷亡等嚴(yán)重后果。因此，分析易疲勞部件的失效情況至關(guān)重要，通過失效分析找出失效原因，從設(shè)計(jì)、制造和安裝的早期階段減輕疲勞損傷是預(yù)防疲勞失效的最有效手段。
2023年1月，某石化公司柴油加氫裝置往復(fù)式壓縮機(jī)C101B一次出口緩沖罐（圖1）底部導(dǎo)閥突然脫落，此次事故導(dǎo)致儲(chǔ)罐氫氣泄漏。
出口緩沖罐位于壓縮機(jī)排氣端，主要作用是緩沖壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的管道壓力波動(dòng)。由于出口緩沖罐靠近壓縮機(jī)并受到振動(dòng)，因此會(huì)受到疲勞操作條件的影響。圖1展示了出口緩沖罐位的布置，圖中紅色圓圈表示發(fā)生故障的導(dǎo)閥。
導(dǎo)閥為出口緩沖罐下排氣截止閥，材質(zhì)為SA-105。整個(gè)閥門采用鑄造，兩端法蘭采用手工電弧焊組裝而成。藥皮焊條為PP.J507低鈉氫藥皮低碳鋼藥皮焊條。閥門型號(hào)：J41H/DN25 300LB/RF/A105，2012年2月制造，2013年10月隨壓縮機(jī)組調(diào)試，期間分別于2016年10月、2018年10月、2021年10月停機(jī)檢修。停機(jī)時(shí)間為45天，直到2023年1月才出現(xiàn)故障、斷裂。在此期間，總共運(yùn)行了106.5個(gè)月。所連接的出口緩沖罐的工作參數(shù)為工作壓力2.0MPa、工作溫度110℃、內(nèi)部介質(zhì)為氫氣。由于導(dǎo)閥振動(dòng)疲勞，我們還檢查了所連接壓縮機(jī)的相關(guān)參數(shù)。壓縮機(jī)工作頻率為10Hz，機(jī)體機(jī)械振動(dòng)為2.8mm/s。
失效導(dǎo)閥的整體宏觀圖如圖2所示。導(dǎo)淋閥的斷裂處清晰可見，位于導(dǎo)淋閥左側(cè)與法蘭之間的焊縫處。內(nèi)部介質(zhì)從導(dǎo)淋閥左側(cè)流向右側(cè)，如圖中藍(lán)色箭頭所示。因此，斷裂發(fā)生在上游位置。為了確定導(dǎo)閥斷裂的原因，對(duì)失效部件進(jìn)行了宏觀斷口觀察、微觀斷口分析、金相檢驗(yàn)、硬度測(cè)試和材料分析，對(duì)測(cè)試結(jié)果的綜合分析，并得出結(jié)論。本次故障分析旨在查明故障原因，并提供適當(dāng)?shù)慕ㄗh和措施，防止今后發(fā)生類似事故，從而降低相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。
實(shí)驗(yàn)方法與儀器
為了方便宏觀觀察和實(shí)驗(yàn)，對(duì)失效導(dǎo)閥進(jìn)行劃區(qū)和編號(hào)，如圖2所示。上游法蘭位置為 1 號(hào)，上游斷裂位置為 2 號(hào)，下游斷裂位置為3 號(hào)，閥體為 4 號(hào)，下游焊縫位置為 5 號(hào)，下游法蘭位置為 6 號(hào)。斷裂位置 2 和 3作為關(guān)鍵觀察點(diǎn)尤為重要，進(jìn)行宏觀斷口觀察、微觀斷口觀察、斷口分析和金相分析。位置 1、4 和 6 將進(jìn)行材料化學(xué)成分分析，以確定是否符合所需規(guī)格。位置5對(duì)應(yīng)閥門另一側(cè)的焊縫，將利用金相分析和硬度分析進(jìn)行對(duì)比研究。
使用低倍體式顯微鏡（Stemi 508，ZEISS，德國）進(jìn)行宏觀觀察和目視檢查。采用掃描電子顯微鏡（EVO 10/AZteLiveOne30，ZEISS，德國）進(jìn)行顯微觀察。使用 AXIO Imager A2 m 金相顯微鏡（ZEISS，德國）進(jìn)行金相分析?；瘜W(xué)成分分析采用SPECTROMAX X光電直讀光譜儀(德國Spike Analytical Instrument Co.)進(jìn)行光譜分析。最后，使用FALCON 600維氏硬度計(jì)（INNOVATEST Co.，荷蘭）進(jìn)行硬度分析。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
1.宏觀觀察
將含有斷口的樣品切片后，進(jìn)行宏觀觀察，斷口的表面形貌如圖3所示。斷口表面外觀表明，整個(gè)斷口發(fā)生在焊縫區(qū)域內(nèi)，且偏向于閥體側(cè)。斷口呈現(xiàn)光滑、均勻的裂紋，無任何分支。表面焊縫特征明顯，閥體側(cè)和法蘭側(cè)光滑，沒有任何腐蝕坑。
俯視觀察樣品No.2和No.3的斷裂面。為了便于描述，將斷裂面靠近閥門操作桿指?jìng)?cè)定為0點(diǎn)鐘方向，如圖4所示。使用低倍立體顯微鏡（Stemi 508，蔡司，德國）檢查斷裂面。0 點(diǎn)鐘位置的斷口外觀顯示為斷裂面光滑且平坦，表現(xiàn)出疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)域的普遍特征。6點(diǎn)鐘位置的斷口外觀顯示為許多疲勞臺(tái)階和從斷口內(nèi)側(cè)向外側(cè)發(fā)散的放射狀條紋，這些特征主要源于疲勞裂紋延伸至該點(diǎn)時(shí)發(fā)生的應(yīng)力變化，導(dǎo)致疲勞裂紋擴(kuò)展并形成多個(gè)疲勞臺(tái)階，直觀地表現(xiàn)為多個(gè)徑向條紋。這種宏觀外觀特征是疲勞裂紋發(fā)源區(qū)域的典型特征。
從圖4左側(cè)斷口可以看出，發(fā)散的放射狀條紋主要集中在圖中4點(diǎn)鐘至7點(diǎn)鐘和11點(diǎn)鐘至2點(diǎn)鐘方向，由此可以推斷，斷裂起源于這兩個(gè)部位的多源疲勞裂紋，進(jìn)而擴(kuò)展至整個(gè)閥門斷裂。閥門直徑為50mm，因此可以計(jì)算出4點(diǎn)鐘到7點(diǎn)鐘的裂紋長(zhǎng)度約為39.27mm，11點(diǎn)鐘到2點(diǎn)鐘的裂紋長(zhǎng)度約為39.27mm 。
根據(jù)斷面的整體宏觀形態(tài)，懷疑的斷裂起始點(diǎn)大概在 2 點(diǎn)鐘位置。圖 5展示了對(duì)該區(qū)域的進(jìn)一步檢查。該圖像顯示出閥體表面上的機(jī)加工痕跡，為坡口加工痕跡，這表明該處存在未熔合缺陷。此外，在斷裂表面上發(fā)現(xiàn)了許多疲勞臺(tái)階，表明疲勞裂紋起源于內(nèi)壁并向外壁擴(kuò)展。焊縫中未熔合缺陷的深度約為 3.7 毫米。
2.顯微鏡觀察
使用掃描電子顯微鏡（EVO 10/AZteLiveOne30，ZEISS，德國）檢查圖 5中所示的裂紋萌生位置。該檢查的觀察結(jié)果如圖 6所示。圖 6顯示了一個(gè)微裂紋，其中可以看到疲勞臺(tái)階，從右向左延伸。此外，在右下位置，多個(gè)平行條紋特征很明顯，對(duì)應(yīng)于樣品加工過程中留下的加工刀痕。圖中，放大后的斷口表面光滑，不存在任何其他裂紋。
對(duì)裂紋擴(kuò)展位置的仔細(xì)檢查如圖 7所示。在圖中，很明顯裂紋擴(kuò)展位置處的斷裂表面的表面形態(tài)是光滑的并且沒有任何可辨別的晶粒特征。在圖7中，局部斷裂面表現(xiàn)出與其他物體接觸的跡象。
3.金相分析
對(duì)閥體非裂紋側(cè)的焊縫樣品進(jìn)行金相分析。使用AXIO Imager A2 m金相顯微鏡（ZEISS，德國）進(jìn)行觀察和分析。圖8顯示了5號(hào)樣品的金相檢查位置。選擇兩個(gè)關(guān)鍵位置進(jìn)行觀察，即位置1（0點(diǎn)鐘）和位置2（6點(diǎn)鐘）。位置1的金相照片如圖9所示。從圖中可以明顯看出，該位置對(duì)應(yīng)于連接法蘭和閥體的焊縫。然而，該焊縫的根部并未在法蘭和閥體之間形成完整的連接，表明焊縫未焊透。閥體與焊縫之間的熔合線進(jìn)一步放大，沿焊縫與閥體之間的熔合線顯露出未熔合的缺陷，與斷口宏觀照片圖5所示的形貌一致。可以觀察到，法蘭側(cè)也存在未熔合的缺陷，盡管這些缺陷的長(zhǎng)度比閥體側(cè)的缺陷要小。
圖10為位置2的金相圖像。從宏觀形貌來看，該位置對(duì)應(yīng)于焊接收弧點(diǎn)和起弧點(diǎn)。可以看到多個(gè)焊接特征以及焊縫內(nèi)未熔合的夾層特征。通過放大閥體和法蘭之間的區(qū)域，可以明顯看出存在未焊透缺陷。而且，這種未焊透缺陷表現(xiàn)出向焊接位置延伸的特征。
將破裂的斷口重新組裝，并對(duì)截面進(jìn)行金相檢查。圖 11給出了裂紋萌生點(diǎn)截面的金相試樣。選擇關(guān)鍵區(qū)域3進(jìn)行放大觀察，如圖12所示。該圖顯示該區(qū)域內(nèi)的法蘭側(cè)存在未熔合的凹槽缺陷。裂紋從未熔合的凹槽缺陷向外壁擴(kuò)展，沿著沒有任何分叉的直線路徑。對(duì)失效焊縫的 0 點(diǎn)鐘和 6 點(diǎn)鐘位置進(jìn)行了橫截面金相分析（采樣位置見圖13）。圖14為0點(diǎn)鐘位置的放大圖?？梢钥闯?，該區(qū)域焊縫內(nèi)側(cè)存在未焊透缺陷。裂紋總體平坦、平直，無分叉或二次裂紋。另外，閥體側(cè)的槽內(nèi)不存在熔合缺陷。裂紋特征與內(nèi)壁位置多點(diǎn)萌生的疲勞特性相符。
4.硬度測(cè)試
使用維氏硬度計(jì)（FALCON 600，INNOVATEST Co.，荷蘭）評(píng)估5號(hào)樣品的維氏硬度。測(cè)試結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明，焊縫平均硬度為203HV，未觀察到異?，F(xiàn)象。閥體硬度為150HV，法蘭硬度為172HV。這些硬度測(cè)試結(jié)果都在正常范圍內(nèi)。
5.化學(xué)成分測(cè)試
采用SPECTROMAX X光電直讀光譜儀（德國斯派克分析儀器公司）對(duì)閥體進(jìn)行化學(xué)成分分析。測(cè)試結(jié)果如表2所示。測(cè)試結(jié)果表明，閥體的化學(xué)成分符合ASME SA105/SA105M-2014的成分要求。
分析討論
從斷口形貌來看，裂紋起源于焊接過程中未熔合和未焊透造成的應(yīng)力集中部位。隨后，裂紋沿焊縫向外壁擴(kuò)展，直至發(fā)生泄漏和脫落。裂紋萌生位置偏向焊縫的閥體一側(cè)，這與閥體坡口未熔合缺陷有關(guān)。斷口的宏觀和微觀檢查都顯示出齊平、非分叉的形態(tài)，沒有二次裂紋。這些斷裂面特征與氫脆特征并不相符。而且焊縫硬度正常，初步排除氫脆造成的焊縫損傷。另外，通過宏觀和微觀觀察，可以看到明顯的疲勞臺(tái)階和放射狀條紋，表明存在疲勞裂紋。這些發(fā)現(xiàn)與疲勞裂紋的表面特征相符。
壓縮機(jī)工作時(shí)，往復(fù)運(yùn)動(dòng)引起緩沖罐振動(dòng)，引起內(nèi)部壓力波動(dòng)，產(chǎn)生疲勞工作狀態(tài)。與緩沖罐連接的導(dǎo)淋閥與法蘭的焊縫根部存在一整圈未焊透缺陷。此外，閥體局部位置發(fā)現(xiàn)有未熔合缺陷的凹槽，表明存在明顯的焊接缺陷。這些未焊透和未熔合缺陷具有尖銳的幾何形狀，導(dǎo)致這些幾何不連續(xù)處出現(xiàn)嚴(yán)重的應(yīng)力集中。因此，在循環(huán)外部載荷作用下，形成了導(dǎo)閥疲勞裂紋的來源。金相觀察表明，在疲勞條件下，未焊透缺陷會(huì)擴(kuò)散到焊縫中。另外，閥體與兩側(cè)法蘭之間的焊縫為單道焊，大大降低了整個(gè)部件的疲勞壽命。
一般來說，對(duì)于結(jié)構(gòu)的疲勞壽命來說，裂紋萌生階段所需的時(shí)間占整個(gè)疲勞裂紋壽命的90%以上。因此，在疲勞分析中，重點(diǎn)在于裂紋萌生，閥門疲勞失效時(shí)，裂紋萌生位置位于焊縫未焊透、未熔合等焊接缺陷區(qū)域內(nèi)，表現(xiàn)為多源疲勞裂紋。焊接缺陷的存在會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)過早疲勞失效。
結(jié)論和建議
通過宏觀觀察，可以看出斷口有明顯的疲勞臺(tái)階和放射性條紋，同時(shí)可以觀察到閥體焊接坡口機(jī)加工痕跡和明顯的未熔合缺陷。經(jīng)測(cè)量，未熔合缺陷高度為3.7mm，結(jié)合金相檢驗(yàn)結(jié)果可見，閥門與法蘭連接的焊接接頭均存在未熔合缺陷。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，閥體與上游法蘭焊縫的失效原因?yàn)槠谑В诹鸭y起始于靠近內(nèi)壁的未熔合缺陷。導(dǎo)致焊縫疲勞失效的載荷源是壓縮機(jī)運(yùn)行引起的振動(dòng)和閥門一側(cè)介質(zhì)的壓力波動(dòng)。
閥門焊縫的焊接質(zhì)量不合格是導(dǎo)致閥門過早疲勞失效的重要因素。閥體與兩側(cè)法蘭的焊縫均為單道焊縫，常出現(xiàn)未焊透、未熔合等缺陷。這些缺陷具有尖銳的幾何形狀，導(dǎo)致明顯的應(yīng)力集中和嚴(yán)重的損壞。
建議定期檢查壓縮機(jī)周圍的所有焊縫和幾何不連續(xù)性，及時(shí)解決發(fā)現(xiàn)的任何裂紋。此外，使用超聲檢測(cè)和 X 射線檢測(cè)對(duì)同一制造商的閥門焊縫進(jìn)行了徹底調(diào)查，證實(shí)不存在嚴(yán)重的焊接缺陷。
對(duì)于石化裝置及其外圍部件遭受交變工況和振動(dòng)疲勞的情況，宜在設(shè)計(jì)文件中明確規(guī)定疲勞工況的相關(guān)設(shè)計(jì)要求。在制造和安裝過程中，加強(qiáng)對(duì)暴露于疲勞條件下的設(shè)備和零件的檢查和測(cè)試要求至關(guān)重要，從而防止相關(guān)焊接缺陷的發(fā)生。停工檢查期間，對(duì)出現(xiàn)疲勞情況的設(shè)備可適當(dāng)增加表面檢查，降低運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)。
本文轉(zhuǎn)載自：Du C, Liu C, Li X, Lu J, Yuan J and Liu B (2023) Fatigue fracture failure analysis of guide valve based on welding defects. Front. Mater. 10:1298138. doi: 10.3389/fmats.2023.1298138原文作者：Chenyang Du、Chang Liu 、Xiaowei Li、Jianyu Lu、Jun Yuan 、Baolin Liu
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