王延操（玉門(mén)油田分公司生產(chǎn)運(yùn)行處，甘肅 玉門(mén)735200）

玉門(mén)油田分公司煉油化工總廠50萬(wàn)噸/年柴油加氫改質(zhì)異構(gòu)降凝裝置由原50萬(wàn)噸/年柴油加氫改質(zhì)裝置改造而來(lái)。該裝置于2002 年底建成，目前已運(yùn)行18 年。今年柴油加氫改制裝置K-501 三級(jí)進(jìn)氣閥閥墊斷裂成為碎片，引起壓縮機(jī)停機(jī)，下面就本次斷裂原因進(jìn)行分析：加氫車(chē)間K-501三級(jí)入口閥墊采用純銅加工而成，工作環(huán)境溫度85～120℃，工作介質(zhì)為氫氣（氫氣純度80%～85%，工作壓力為4.1～4.3MPa。閥墊的主要作用有：①調(diào)節(jié)閥蓋與閥體的間隙；②起密封作用，保證閥蓋與閥體緊密配合，工作介質(zhì)不外漏。

1 閥墊失效斷裂及斷裂特征

閥墊失效后不是一個(gè)局部斷裂或者破碎，而是斷裂成了二十幾片，斷后三級(jí)入口閥墊失效碎片，且斷后碎片的在厚度和寬度方向上尺寸均有減小。

閥墊不是一處破碎而是碎成了好多片，且閥墊在失效前產(chǎn)生大量的變形，分別測(cè)量使用前完整墊片與失效后的厚度與寬度見(jiàn)表1，發(fā)現(xiàn)閥墊在厚度方向上減薄量不均勻，減薄量最大達(dá)到使用前閥墊厚度的65%，減薄量最小僅僅為使用前閥墊厚度的11%；在閥墊寬度方向上尺寸也減下，減小量變化不大，但均超過(guò)了1mm。厚度方向上變形的可能原因有：①預(yù)緊力過(guò)大，閥墊產(chǎn)生塑性變形，若是此原因，則在寬度方向上閥墊會(huì)增加，但實(shí)際測(cè)量時(shí)閥墊的寬度卻減小了，排除此原因。②安裝時(shí)或者運(yùn)行過(guò)程中，預(yù)緊力不夠，氣閥與墊片之間產(chǎn)生間隙，造成閥蓋與閥體間的多次循環(huán)擠壓而減薄，氣閥與墊片之間間隙大小不同，墊片不同部位上受到的循環(huán)力大小不一致，厚度方向上減薄量不均勻，而且間隙的存在使其運(yùn)行環(huán)境被氣體介質(zhì)包圍，氣體介質(zhì)中含有氧氣和一氧化碳?xì)怏w，對(duì)銅墊片產(chǎn)生氧化腐蝕，在循環(huán)擠壓力的作用下表面的腐蝕層不斷形成不斷脫落，使其減薄；在寬度方向上尺寸減小的原因有含有氧氣和一氧化碳?xì)怏w介質(zhì)中銅墊片產(chǎn)生氧化腐蝕，在循環(huán)擠壓力的作用下表面的腐蝕層不斷形成不斷脫落，因此尺寸減小，但在寬度方向不受循環(huán)擠壓力，尺寸減小量較厚度方向上小，且各部位基本一致。當(dāng)尺寸減薄達(dá)到一定極限后在一個(gè)較大力的作用下閥墊斷裂破碎。

表1 閥墊使用前與失效后厚度寬度尺寸比較

寬度/mm 5.6 4.14 4.11 5.22 4.20 3.74 4.00 4.52 3.64

2 化學(xué)分析

表2 化學(xué)分析

3 金相檢驗(yàn)

在未使用的閥墊隨機(jī)位置割取一下金相樣，在失效后的墊片中取一片碎片作為金相樣。

3.1 表面金相分析

將試樣放在超聲波清洗機(jī)中清洗干凈，直接將其放在光學(xué)顯微鏡下觀察其表面，表面呈現(xiàn)天藍(lán)色，且有好多點(diǎn)蝕坑，表面的天藍(lán)色為Cu2O顆粒，這證明了在宏觀檢驗(yàn)中關(guān)于墊片尺寸減小的分析是合適的。

3.2 未腐蝕金相圖片

圖2 閥墊失效前后金相圖片（未腐蝕）

氧又是紫銅“氫氣病”的禍源。前面化學(xué)成分分析可以確定閥墊的材料為紫銅，且紫銅中含有大量的顆粒狀的Cu2O，見(jiàn)圖2（a），閥墊在氫氣、一氧化碳、甲烷等還原性氣體與高溫環(huán)境下運(yùn)行，此時(shí)氫或其他還原性氣體能在高溫下滲入固體銅中與氧化亞銅發(fā)生還原反應(yīng)：

生成的水蒸氣或二氧化碳不溶于銅，而本身產(chǎn)生一定的壓力以求析出，當(dāng)壓力大于金屬本身強(qiáng)度時(shí)將引起材料沿晶界開(kāi)裂，嚴(yán)重時(shí)肉眼可見(jiàn)表面氣泡。圖2（b）中失效后的閥墊碎片表面出現(xiàn)有一條斷斷續(xù)續(xù)的氣泡破裂線，這說(shuō)明Cu2O與還原性氣體在高溫下反應(yīng)生成水蒸氣或二氧化碳是產(chǎn)生裂紋的主要原因。

3.3 腐蝕后金相照片

圖3 閥墊失效前后金相圖片（40%的硝酸水溶液腐蝕）

純銅經(jīng)高溫退火后晶粒會(huì)長(zhǎng)大，圖3 閥墊失效前后金相圖片，可以看出相對(duì)失效前，時(shí)效后閥墊的晶粒明顯增大，因此在運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)歷了高溫退火。

3.4 晶界裂紋金相照片

圖4 失效后試樣晶界裂紋金相圖片

在失效后的閥墊碎片中，隨機(jī)取一個(gè)樣，腐蝕后發(fā)現(xiàn)其晶界上存在很多裂紋，未腐蝕前在放大的照片中發(fā)現(xiàn)在裂紋上面有很多天藍(lán)色的氧化亞銅，如圖4（a）、（b）所示，腐蝕后發(fā)現(xiàn)裂紋大多都沿著晶界，這再一次說(shuō)明開(kāi)裂是由銅的“氫氣病”引起的。

3.5 結(jié)論

壓縮機(jī)閥墊失效的主要原因有以下個(gè)：①閥墊安裝時(shí)存在安裝間隙，造成閥蓋與閥體間的多次循環(huán)擠壓和氣體腐蝕摩擦而尺寸減小，力學(xué)性能下降，同時(shí)使工作環(huán)境溫度升高。②紫銅的“氫氣病”，在高溫、還原性氣體中，紫銅中的氧化亞銅與還原性氣體反應(yīng)生成水蒸氣和二氧化碳，水蒸氣或二氧化碳不溶于銅，本身產(chǎn)生一定的壓力以求析出，當(dāng)壓力大于金屬本身強(qiáng)度時(shí)將引起材料沿晶界開(kāi)裂。③當(dāng)晶界開(kāi)裂累計(jì)到一定量時(shí)，受到一個(gè)較大的沖擊力，閥墊瞬間破碎。

4 能譜分析

隨機(jī)取失效閥墊樣品1 片，對(duì)其表面黑色的腐蝕產(chǎn)物打能譜。

表2 能譜分析結(jié)果

5 建議及改進(jìn)措施

(1)調(diào)整好閥蓋與閥座之間的間隙，用頂絲將閥墊頂緊，防止出現(xiàn)循環(huán)載荷而引起疲勞。

(2)安裝前將閥蓋與閥座上清理干凈，防止有磨料存在引起摩擦磨損。

(3)如有可能更換閥墊材料，更換為含氧量更低的純銅或者別的金屬材料。