鹼性介質中旋塞閥磨損失效分析

旋塞閥    時間:2014-03-12 17:01:49
鹼性介質中旋塞閥磨損失效分析簡介
上海某企業無水氨精餾塔原料泵入口旋塞閥,使用3年發生內泄漏。該企業合成氨生產中18%(質……
鹼性介質中旋塞閥磨損失效分析正文

上海某企業無水氨精餾塔原料泵入口旋塞閥,使用3年發生內泄漏。該企業合成氨生產中18%(質量分數,下同)濃氨水進精餾塔前為防腐蝕加入32.5%NaOH使其與酸性氣體生成鹽類。濃氨水用蒸汽精餾,使氨水中的大部分氨集中到精餾塔頂,冷凝後生成無水氨產品。為了查明閥門泄漏原因,進行了宏微觀形貌觀察、金相組織檢驗、材質化學成分分析以及表面沉積物成分分析,明確了旋塞閥泄漏的主要原因以及失效機理,並提出了相應的預防措施。
  1 失效旋塞閥概述
  1.1 旋塞閥型號和所處工況
  失效旋塞閥按照設計規定所用材質為SUS316L不鏽鋼,型號為X41Y2300LbDN50,驅動方式為正齒輪,閥門在基準溫度下允許的最大工作壓力即公稱壓力為29.4MPa,閥門與管道連接處通道的名義直徑即公稱通徑為50mm(1)。精餾塔原料泵入口旋塞閥工況介質為170℃,10%~20%氨水和0.1%~0.5%NaOH,含微量H2S和HCN,工作壓力2.0MPa。
  1.2 外觀形貌
  旋塞閥的結構比較簡單,是由閥體、塞子、填料和壓蓋所組成。最簡單的旋塞閥連填料和壓蓋也沒有,僅有閥體和塞子(2),如圖1所示。帶孔的塞子作為啟閉件,啟閉時只要將塞子旋轉90°,使塞子上的通道口相通或切斷來實現啟閉動作。在閥與管道的連接處可見鏽蝕痕迹。由圖1可見塞子外表面粗糙,不均勻地覆蓋一層黑色粉末,並可見與塞子運動方向一致的明亮划痕;在塞子內部上下壁覆蓋著大量黑色粉末,呈脆性剝落的塊狀。
  1.3 金相試樣的選取
  選取塞子的帶孔部位做金相樣品,見圖2。再在樣品上取縱橫試樣各一塊,縱向試樣取圖2中帶孔部位的縱向切面,一邊為塞子的內表面。橫向試樣為從帶孔部位剖開的切取面,帶圓弧面為塞子的外表面。

2 失效特徵和分析
  2.1 SEM觀察
  對塞子表面的微觀形貌進行觀察。由圖3可以看出,試樣表面凹凸不平,雖經苦味酸清洗后仍留下潛入的固相粒子,還存在一些黑色腐蝕坑。

2.2 金相分析
  縱橫試樣經磨拋后在金相顯微鏡下觀察均有彌散分佈的點狀黑色氧化物夾雜,見圖4a。夾雜物對不鏽鋼的力學性能影響主要是降低材料的塑性、韌性和疲勞性能。由圖4b可見試樣局部區域有少量疏鬆存在。鑄件中疏鬆的存在不但會降低其力學性能,而且對耐腐蝕性也有明顯的影響。
  在對試樣浸蝕后,縱橫顯微組織未見差異,如圖5所示,塞子的金相顯微組織是由白色的奧氏體和灰黑色鐵素體組成,在鐵素體基體上分佈有小島狀奧氏體,並有黑色點狀碳化物析出。
  2.3 旋塞閥化學成分分析
  從表1旋塞閥塞子化學成分中可以看出,Cr含量遠高於316L標準,Mo低於316L標準,而Ni含量遠低於316L標準,通過表1可知,旋塞閥的化學成分不符合316L標準而符合SUS329J1標準。因此認定旋塞閥實際使用材質為SUS329J1不鏽鋼而非316L鋼。329J1鋼為α+γ高鉻雙相不鏽鋼,與316L鋼一樣具有較好的綜合力學性能,即強度高、韌性好,但329J1鋼在650~959℃等溫時有一個σ相析出(3),使鋼的耐腐蝕性及韌性下降,而且雙相組織的形貌及其成分分佈有時受工藝影響,從而影響材料的耐腐蝕穩定性。

  2.4 沉積物成分分析
   圖6為樣品表面沉積物的能譜圖,其化學成分各元素質量分數分別為Fe87.21%,Cr5.45%,O5.50%和C1.84%。採用NHO分析儀和紅外碳硫分析儀對其精確分析,其質量分數分別為N0.250%,H0.536%,O.23%,C3.6%和S0.06%。由此看出塞子表面沉積物成分中含有較高的Fe,O,Cr和C元素,並含有少量的N,H和S元素。N,H和S元素來自於介質溶液中含有的雜質HCN和H2S,C來自於金屬基體材料和介質溶液。在塞子表面覆蓋的黑色沉積物主要為鐵的氧化物和少量的鉻的氧化物,還有微量的硫化鐵。


  3 旋塞閥失效原因分析
  3.1 閥門材質與設計規定不符
  根據化學成分分析可知,失效旋塞閥塞子的材質不是設計規定的316L型超低碳奧氏體不鏽鋼材料,而是329J1雙相不鏽鋼。與奧氏體不鏽鋼相比,329J1雙相不鏽鋼耐熱性較低,一般控制在300℃以下的工作環境中使用,冷加工比1828型奧氏體不鏽鋼的加工硬化效果大,存在中溫脆性區(如σ相,475℃脆性)對熱處理及焊接的不利,而且含25%Cr的雙相不鏽鋼比奧氏體不鏽鋼的加工困難(5)。

塞子與閥體密封面之間是靠接觸的本體金屬來密封,密封力靠擰緊塞子下螺母實現。為了使較小的預緊力便能達到密封,塞子與閥體密封面的表面粗糙度要小,錐度配合要准,才能使該類旋塞閥易實現密封(6)。而金相分析顯示塞子內表面粗糙,存在夾雜物和疏鬆,這對材料的力學性能和工藝性能均有不利影響,從而降低了旋塞閥的密封性。
  3.2 腐蝕磨損
  根據金相分析和形貌觀察可知塞子表面存在腐蝕磨損。腐蝕磨損是在腐蝕介質中摩擦表面與介質發生化學或電化學反應而產生材料流失的磨損現象,因而是在表面切應力和化學介質協同作用下導致材料的過早失效(7)。材料在腐蝕磨損條件下,腐蝕作用加速了磨損行為,而磨損產生的新鮮表面又促進了腐蝕作用,同時腐蝕能夠增加金屬表面的粗糙度。塞子在使用中主要承受介質對其內壁的沖刷和啟閉時閥體對塞子表面的摩擦力,在鹼性腐蝕介質中,摩擦力破壞了塞子外表面的鈍化膜,腐蝕電位負移,腐蝕傾向加大,腐蝕介質的再鈍化來不及修復破損的鈍化膜,露出新鮮的活性金屬表面,從而使磨痕內外構成腐蝕原電池,未鈍化處為陽極,有保護膜的部位為陰極,組成腐蝕電池,其反應為:
 
  陽極反應:Fe+3OH-→HFeO-2+H2O+2e3HFeO-2+H+→Fe3O4+2H2O+2e
  陰極反應:H++e→H2H→H2
 
   由於金屬組織結構的不均勻性,腐蝕破壞了材料的晶界或其他組織的完整性,降低了材料的結合強度,很容易使材料剝落而增加磨損量。在形成鈍化膜的體系中,表面剪切力使鈍化膜開裂、成片撕裂,從而產生脆性剝落,加速材料的流失。在這種情況下,由於材料不再是逐漸地被磨去,而是因腐蝕介質中材料本身或表面膜的脆化,使得材料成片地開裂和剝落,因此材料的磨損量成倍地增加(7)。
  3.3 磨粒磨損
  腐蝕磨損發生后,塞子與閥體密封面存在大量腐蝕產物,由形貌觀察可知塞子外表面存在與塞子運動方向一致的明亮划痕,這說明在塞子外表面還存在磨粒磨損。磨粒磨損是由外界硬質顆粒或硬表面的微峰在摩擦副對偶表面相對運動過程中引起表面擦傷與表面材料脫落的現象,其特徵是在摩擦副對偶表面沿滑動方向形成划痕。塞子外表面顆粒狀腐蝕物作為磨粒作用在材料表面,顆粒上承受的摩擦力載荷可分解為法向分力和切向分力,在法向分力作用下,磨粒的稜角刺入材料表面,在切向分力作用下,磨粒沿平行於表面的方向滑動,帶有銳利稜角並具有合適迎角的磨粒能切削材料而形成切屑。如果磨粒稜角不夠銳利,或是刺入表面角度不適合切削,由於磨粒推擠材料,使之堆積在磨粒運動的前方或兩側,使材料表面產生犁溝變形。在磨損系統中,磨料顆粒的形狀和硬度是決定磨料磨損機理的重要參量(8)。塞子外表面存在的大量的硬度較高且較鋒利的腐蝕顆粒物對塞子的磨損起了重大作用。
  4 結論
  (1)閥門材質與設計規定不符,旋塞閥塞子所用材料抗腐蝕性能降低是導致旋塞閥泄漏的主要原因。而在旋塞閥塞子表面發生腐蝕磨損和磨粒磨損,使得塞子表面出現粗糙並減薄,這是旋塞閥泄漏的直接原因。
  (2)更換材質不符合規定的旋塞閥塞子材料,使用符合標準的高加工質量和熱處理性能的旋塞閥。

(3)必要時建議更換使用油密封式旋塞閥或壓力平衡式倒錐密封旋塞閥;這兩類閥在開啟或關閉過程中對密封面有擦拭作用,可以除去固體顆粒,不致划傷密封面。同時,還應加強閥門的質量管理,確保產品質量合格的閥門應用於生產實際中。

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