一起钢圈垫片开裂失效的原因分析

1 背景介绍

垫片密封是石油化工装置中最常见、应用最为广泛的一种密封形式，炼化设备若不能保证密封，轻则引起介质泄漏，重则导致生命财产损失、环境污染，因此，防止密封件发生失效就显得格外重要。

某石化公司航煤加氢装置采用的是冷高分流程，在压缩机切换后，巡检人员发现安全阀手阀法兰处泄漏，经检查发现：泄漏来自于压缩机A北缸出口安全阀前闸阀法兰的钢圈垫片（材质为06Cr13，DN50PN160），工作温度为40~50°C，工作压力为5.5MPa。本文通过化学成分分析、金相检查和断口分析等手段，对该法兰垫片的开裂原因进行分析，以期减少和预防同类失效现象的重复发生。

2 工作环境资料

开裂钢圈垫片已使用8年，位于安全阀前闸阀下侧，阀门上侧的钢圈垫片没有开裂，阀门位于缓冲罐后4-5米。管道介质为循环氢，其介质成分及含量如表1所示。加氢钢垫圈的工作温度为40~50℃，工作压力为5.5MPa。

表1 管道内可能介质成分及含量

3 检测分析

3.1 宏观观察

失效垫片的宏观形貌如图1所示。钢圈垫片沿A-A向开裂，裂纹沿密封面径向开裂，无分叉和周向开裂现象且没有宏观变形，这说明是脆性开裂。

3.2 材质分析

加氢钢圈垫的材料牌号为06Cr13，根据NB/T 47010-2017《承压设备用不锈钢和耐热钢锻件》对不锈钢锻件的要求，06Cr13的化学成分应符合表2要求，其热处理制度和力学性能应符合表3的要求。

图1 失效加氢钢圈垫片

表2 06Cr13的化学成分，wt.%

表3 06Cr13热处理制度和力学性能

对开裂钢圈垫片的化学成分进行复验，在开裂钢圈垫片靠近裂纹处取样进行化学成分分析测量，结果对比见表4，发现开裂钢圈垫片的碳含量超标严重，其他成分正常。

3.3 金相分析

对钢圈垫片裂纹处进行金相分析，分析结果如图3所示，通过仔细辨认可以发现开裂钢圈垫片的基本组织为马氏体，而06Cr13的组织应该为铁素体。

3.4 力学性能分析

表4 开裂及为开裂钢垫圈化学成分分析及对比，wt.%

图2 钢圈垫片裂纹处的金相分析

因失效件较小，无法进行常规力学性能测试，故用硬度测试代替常规力学性能测试。为对测试结果进行对比，找到一个相同材质的未开裂钢圈垫片，对开裂和未开裂两个钢圈垫片分别沿着环向顺时针打一系列硬度，测点序号如图3所示，发现开裂钢圈垫片的硬度值要高于未开裂钢圈垫片，且开裂钢圈垫片的硬度分布不均匀，最高值为226HB，最低值为125HB，而未开裂钢圈垫片的硬度值比较均匀，平均为121HB。

图3 硬度测量序号

图4 对比试件硬度值分布图

3.5 断口微观形貌分析

根据断口的微观形貌可知，靠内环附近的断口表面裂纹的沿晶开裂特征比较明显，图6断面上可以观察到明显的沿晶界的二次裂纹，图中红色箭头所指的都是球状析出相脱落以后形成的小凹坑。

4 原因分析与讨论

图5 内环附近表面断口局部形貌

图6 局部放大图

图7 外环附近表面断口形貌

图8 侧边剪切唇最后断裂区

由材质分析可知，开裂钢圈垫片碳含量超标，原本的铁素体组织变成了马氏体组织，导致原本最高硬度为163HB的钢圈垫片硬度达到最高226HB。断面微观形貌分析表明，裂纹的起裂部位为晶粒的晶界处，属沿晶开裂。

首先排除晶界网状沉淀相，金相和断口分析没有找到晶界上链网状碳化物，而且也不是奥氏体不锈钢；其次排除晶界偏析，该钢圈垫片的工作温度只有40~50℃，远没达到回火温度，如果是制造过程中造成的回火脆，则不会在使用8年后才发生断裂；温度没有到达蠕变温度，没有应力腐蚀环境；高浓度氢环境（含少量H2S），压力5.5MPa。而钢圈垫片实际组织结构对脆断较敏感，同时又处于高浓度氢环境和外加载荷应力的共同作用下，可知该钢圈垫片在使用过程中发生了氢脆。

5 结论

该钢圈垫片失效的直接原因是材料错用，错用材料的碳含量超标导致晶界碳化物过多，在高浓度氢环境中氢原子在应力诱导作用下逐渐在晶界及晶界析出相附近聚集，造成微裂纹，导致延迟开裂。