高压止回阀断裂失效分析.pdf

高压止回阀断裂失效分析 孙斌 ， 许安俊 1 ． 江苏省特种设备安全监督检验研究院 扬州分院， 江苏 扬州2 2 5 0 0 0 ； 2 ． 扬州联合化工机械有 限公司 ， 江苏 扬州2 2 5 6 0 0 摘要 对某公司氢氮压缩机 出口管道高压止回阀上流腔体失效的材料进行理化性能试验研 究， 判 断出断口属脆性疲劳断裂， 并借助 A N S Y S 软件对结构进行有限元分析， 通过对计算结果与试验结 果进行对比， 综合分析失效的根本原 因， 为 以后高压止 回阀的安全经济运行提供指导。 关键词 高压止回阀； 断裂； 失效； 有限元分析 中图分类号 T H 1 3 4 ； T H 4 5 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 4 8 3 7 2 0 1 2 0 1 0 0 6 3 0 6 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 4 8 3 7 ． 2 0 1 2 ． 0 1 ． 0 1 2 Fr a c t ur e Fa i l u r e An a l y s i s o f Hi g h Pr e s s u r e Che c k Va l v e S U N B i n ， XU An j u n 1 ． Y a n g z h o u B r a n c h o f J i a n g s u P r o v i n c e S p e c i a l E q u i p me n t S a f e t y S u p e r v i s i o n I n s p e c t i o n I n s t i t u t e ， Y a n g z h o u 2 2 5 0 0 0 ， C h i n a ； 2 ． Y a n g z h o u L I A N H E C h e mi c a l M a c h i n e r y C o ． ，L t d ． ， Y a n g z h o u 2 2 5 6 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t Th e u p pe r c a v i t y b o d y o f hi g h pr e s s u r e c h e c k v a l v e o n c o mp r e s s o r o u t l e t wa s t o f r a c t u r e ．P h y s i c a l a n d c he mi c a l p r o pe r t i e s o f t h e f a i l ur e ma t e r i a l s we r e i n s p e c t e d．T he r e s u l t s s h o w t h a t the f r a c t ur e b e - l o n g s t o b rit t l e f a t i g ue f r a c t ur e ． W i t h t he he l p o f fin i t e e l e me n t a n a l y s i s s o f t wa r e ANS YS t o a n a l y z e t he s t r uc t u r e， c o n t r a s t e d t h e c a l c u l a t e d r e s u l t s t o e x p e rime n t a l r e s u l t s，t h e r o o t c a us e o f t h e f a i l ur e wa s a n a l y z e d ．I t p r o v i d e s g u i d a n c e f o r s a f e t y a n d e c o n o mi c a l o p e r a t i o n ． Ke y wo r d s h i g h p r e s s u r e c h e c k v a l v e； c r a c k ； f a i l u r e ； fi n i t e e l e me n t a n a l y s i s 0 引言 近年来 ， 随着 国民经济增长 ， 阀门行业的发展 非常迅速 ， 阀门的失效 问题严重影响着系统的正 常运行 ， 因此对 阀门进 行失效 分析 ， 找 出失效 原 因 ， 并提出改进措施是至关重要的。 某压缩 机理论输气量 2 0 0 0 m ／ h ， 实 际测 定 输气量 1 8 0 0 m ／ 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 5 0 ％的变换气系统 ， 阀体的材 料为 3 5号钢 ， 工作 压力 3 2 MP a ， 工作温度 1 7 0℃。高压止 回阀上流 腔 的结构如图 1 所示 。 22 ． 545 。 ■ -／ 一 l 4 0 一 J l t t 3 一 一 1 8 1 二 。 I n ～．．．．．．．．．．二 鼍 n 电 嘻 1 『 1『 ＼ ＼ ＼＼ 一 1 4 8 ～ ． 2 82 一 图 1 上流腔阀体结构示意 63 高压止回阀断裂失效分析 V o 1 2 9 ． N o l 2 0 1 2 1 止回阀的理化检验及分析 1 ． 1 断口宏观特征分析 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 。 图2 阀体的宏观断口形貌 图 3 阀体裂纹扩展路径示意 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 1 0 ％ ， 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 E 3 3 。 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 4 5 。 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 阀体材料化学成分分析 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 G B ／ T 6 9 9 --2 0 0 8 优 质碳素结构钢 中所规定的 3 5号钢 的成分要求 ， 可以确定该 阀体材料为 3 5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 由灭火剂带人。 表 1 阀体材料成分分析结果 ％ 元素 C Mn P S C r Mo A I 成分 0 ． 3 5 0 ． 3 1 0 ． 6 1 0 ． O 1 0 ． 0 o 8 0 ． 0 5 0 ． 0 1 0 ． O 3 标准成分 0 ． 3 2～ 0 ． 3 9 0 ． 1 7～ 0 ． 3 7 0 ． 5 0～ 0 ． 8 0 ≤0 ． 0 3 5 ≤0 ． 0 3 5 ≤0 ． 2 5 ≤0 ． 3 ≤0 ． 2 5 注 3 5号钢标准化学成分引 自 G B ／ T 6 9 9 --2 0 0 8 { 优质碳素结构钢 。 1 ． 3力学性 能试验 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 ； 高压止回阀断裂失效分析 5 l 7 2 4 3 4 2 9嚣 4 2 9 ∞ l 1 3 6 l l 5 3 0 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 是导致阀体材料产生脆性 的重要因素， 同时也是 导致 阀体发生早期疲劳断裂的根本原因； 5 在 阀体组织 中还发现有少量脆性夹杂物 存在， 对阀体的疲劳强度也会存在一定程度的影 响 ； 6 建议采用符合标准 的正火处理温度以保 证细化晶粒并改善韧性 ， 建议最好采用调质处理 以进一步提高阀体的耐疲劳强度 』 。 d 裂纹取 1 ／ 2圆周的模 型应力强度云图 图 1 3 阀门裂纹部位应力强度云图 参 考文献 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。 表 3 阀 门各裂纹长度下的应力强度因子评 定 裂纹长度 应力 强度 因子 评定 1 ／ 1 2圆周 1 3 7 ． 7 3 ≥1 7 1 ／ 6圆周 1 6 7 ． 2 l ≥1 7 1 ／ 4圆周 l 8 6 ． 3 3 ≥1 7 1 ／ 2圆周 2 6 8 ． 2 0 ≥1 7 3 分析 结果 与结论 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 3 5号钢 ， 所采用的热处理工 [ 1 ] 胡世炎． 机械失效分析手册[ M] ． 成都 四川科学技 术 出版社 ， 1 9 8 9 3 1 4 3 4 0 ． [ 2 ] 刘正义 ， 吴连生， 许麟康， 等． 机械装备失效分析图 谱[ M] ． 广州 广东科技出版社， 1 9 9 0 3 4 5 ． [ 3 ] 陶正耀． 钢件脆性断裂失效分析 [ A] ． 失效分析论 文集[ C] ． 上海 中国机械工程学会材料分会 ， 1 9 8 4 3 48． [ 4 ] 陈南平． 机械零件失效分析[ M] ． 北京 清华大学出 版社 ， 1 9 8 8 2 8 5 2 8 8 ． [ 5 ] 丁毅， 钱发， 陈刚． 电机轴疲劳断裂失效分析[ J ] ． 金 属热处理 ， 2 0 0 1 ， 1 2 2 5 2 7 ． [ 6 ] 周昌玉． 有限元法及其程序设计[ M] ． 南京 南京工 业大学 ， 1 9 9 8 ． [ 7 ] 屠立群． 基于 A N S Y S的 1 6 M n R钢疲劳裂纹扩展分 析[ D] ． 浙江 浙江工业大学， 2 0 0 7 ． [ 8 ] 赵亚新． 焦化加热炉管早期失效分析[ J ] ． 压力容 器 ， 2 0 1 1 ， 2 8 6 4 4 4 9 ． [ 9 ] 易建国． 夕 取热器蒸发管失效分析[ J ] ． 压力容器， 2 0 1 1， 2 8 4 5 25 6 ． 收稿 日期 2 0 1 1 0 7 2 O 修稿 日期 2 0 1 11 21 4 作者简介 孙斌 1 9 8 6一 ， 男， 主要从事设备分析设计相 关研究工作， 通信地址 2 2 5 6 0 0江苏省高邮市驿都花园4 0 号 ， Em a i l b i n s u n s w d 1 6 3 ． c o rn。 - 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