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摘要：某气体公司工艺气锅炉出现故障，气体出口处盲板法兰保温层被烧毁。装置内的介质为H2、CO和CH4，出口处气体温度为300~400℃，操作压力约为2.5MPa。盲法兰拆开后发现垫片外环断裂。该垫片为非标缠绕垫，用于非标法兰，垫片结构形式为带内外环的缠绕式垫片，设计压力为2.5MPa，法兰密封面型式为突面。本文对某盲法兰垫片的断裂进行了失效分析。
关键词：失效分析；垫片；疲劳
引言：垫片外环的断裂属于高平均应力水平下的疲劳断裂。材料的力学性能、化学成分符合316L不锈钢的标准，外环的疲劳断裂与材料无关。垫片的安装不当导致外环在挤压变形严重的区域周向拉应力很大，在交变载荷的作用下发生疲劳断裂，其中高的局部周向拉应力是导致疲劳开裂的主要原因。基于此，在接下来的文章中，将围绕某盲法兰垫片断裂失效方面展开详细分析，希望能够给相关人士提供参考价值。
一、宏观形貌
（一）外环宏观形貌
盲板法兰处的密封垫片为不锈钢缠绕式垫片，垫片外环（以下简称“外环”）材料为316L，服役时间约5个月，断裂位于最下端螺栓与外环接触处的位置并且断口垂直于外环周向。外环与每个螺栓接触地方都有被挤压的宏观可见的变形，各螺栓处的挤压变形不均匀，其中断裂处的变形最大（约1.5mm深），外环表面未发现点蚀坑。
（二）断口宏观形貌
外环外侧（外环与螺栓接触区）有很明显的挤压塑性变形，出现明显的凹坑。外环内侧（外环远离螺栓区）有明显的颈缩现象。外环断口的厚度由外侧向内侧方向逐渐减小。外侧壁厚无明显减薄，是最初裂开的位置；内侧壁厚明显减薄并伴随大的塑性变形，属于最终断裂的区域。在外环壁厚的中心部位出现突起状区域，形如断裂时最终的颈缩部位。断裂向内侧发展时断口上的应力愈发变大，并引发塑性拉伸变形使得断面收缩变薄。这个逐步颈缩的过程说明了裂纹是由外侧向内侧径向扩展的，同时伴随了明显的塑性变形及颈缩的过程，也说明整个过程中外环断裂位置所受的周向应力是很大的。宏观分析表明垫片外环的断裂可能是由应力腐蚀或者疲劳导致。
二、扫面电镜分析
对放射纹发射区域进行扫描电镜观察，有的区域靠近外环表面的地方覆盖着一层氧化物，可能由于高温氧化引起；稍微远离表面处可以观察到密集条纹，属于疲劳辉纹，疲劳辉纹沿厚度方向和径向方向扩展。有的区域的裂纹是疲劳裂纹。区域的疲劳源位于放射纹汇聚处的外环表面。在断口区域两侧有明显的放射纹，中间有明显的韧窝，可以说明疲劳裂纹由断口上下表面向厚度方向扩展时外环中心部位承受的周向应力逐渐增大，最后外环中部发生延性断裂。断口扫描电镜观察表明垫片外环的断裂机制是疲劳断裂，属于多点同时起裂。疲劳源位于断口上下表面（即外环表面）。外环首先发生疲劳断裂，疲劳裂纹沿两个方向扩展，一个是厚度方向（外环表面向中心），另一个是径向方向（外环外侧向内侧）。
三、化学成分和力学性能测试
对服役和未服役的垫片外环材料进行化学成分标定，测试结果如表1。对服役和未服役的垫片外环材料进行室温、高温拉伸性能测试和硬度测试，测试结果如表2~4。化学成分分析表明新、旧垫片外环材料一样，符合316L不锈钢的标准；拉伸性能测试和硬度测试表明材料的力学性能符合要求。两种材料的拉伸性能不同可能是由于两者不是同一批材料。垫片设计材料是321不锈钢，实际使用的材料是316L不锈钢，两种材料的性能都满足外环的要求。由此可见，垫片外环的疲劳断裂不是由材料引起的。
垫片外环化学成分：
四、分析
（一）断裂过程
垫片外环的断裂是疲劳断裂，疲劳裂纹起源于垫片外环表面，受垂直于断口的周向交变应力作用下疲劳裂纹沿外环厚度方向和径向方向扩展。垫片外环的断裂是先疲劳断裂再延性断裂。疲劳裂纹沿厚度方向扩展到一定量时，外环中心部位被塑性拉断；当断裂沿径向扩展到一定量时，外环靠近内侧的区域失去承载能力被瞬时拉断呈现延性断裂的特征。
（二）疲劳裂纹的形成和扩展
垫片在安装和热膨胀的过程中，外环受密封环的挤压和自身热膨胀的作用向外膨胀，但它的膨胀受到螺栓的约束产生塑性挤压变形。塑性挤压变形越大说明外环在该处的应力越大。外环在断裂处的塑性挤压变形最大，说明断裂位置的应力比外环其它位置的应力高。因此外环在断裂区域的周向力最大，处于一个高平均应力水平。弯曲载荷使外环突起，在弯曲载荷单独作用下外环在厚度方向的周向应力分布不均匀，沿径向分布的应力也不均匀。在只有其他载荷（螺栓和密封环对外环的挤压产生的载荷）的作用下，外环周向应力在厚度方向分布均匀，但沿径向方向分布不均匀。因此在弯曲交变载荷和其它交变载荷的共同作用下疲劳源首先在平均周向应力最大处的外环表面（即断口的上下表面）形成。
（三）高平均周向应力的形成
螺栓直径约34.925mm，螺栓孔直径38.1mm，螺栓与螺栓孔的间隙约1.6mm，外环与螺栓几乎没有间隙。由于螺栓与螺栓孔存在间隙，垫片直径稍微偏大也能实现安装，但尺寸偏大的垫片在安装和升温后会导致大的接触变形和很高的局部周向应力。断裂位置的高平均周向应力的出现，可能是由于垫片实际尺寸偏大造成。根据现场法兰安装方法，在安装过程中由于重力的作用螺栓位于螺栓孔最低端。由于螺栓的不对中，垫片相对法兰的位置也变得不对中。螺栓最下端螺栓与螺栓孔的间隙几乎没有，其他位置的螺栓与螺栓孔有一定的间隙。在法兰安装过程垫片受压向外膨胀和热膨胀过程中螺栓孔和螺栓有间隙的螺栓可以调整位置，减小螺栓和外环的相互作用力，而最下端螺栓无法调整位置，所以螺栓与垫片外环相互挤压的作用严重，局部周向应力变大。
（四）交变载荷的来源
交变载荷主要是由装置内的压力和温度波动引起。垫片外环的断裂主要受交变周向应力影响，交变周向应力主要有以下三个来源：第一，弯曲交变载荷。由于存在严重的挤压变形，螺栓已经嵌入外环，载荷的波动导致螺栓承受的载荷发生波动，螺栓的长度发生改变，然后螺栓迫使外环在厚度方向发生局部上下运动，产生一个交变弯曲载荷；第二，密封环挤压作用。载荷的波动导致密封环回弹和压紧，密封环对垫片外环的挤压力也随之波动，垫片外环的周向应力也随之改变；第三，载荷的波动直接引起垫片周向应力的改变[1]。
结论
文章围绕某盲法兰垫片断裂失效方面进行了分析。通过化学成分分析、金相检查和断口分析等手段查明了断裂的失效原因。高应力水平的疲劳开裂是该垫片断裂的原因，在交替载荷的作用下，垫片产生了疲劳裂纹，最终导致了垫片的失效开裂[2]。
参考文献
[1]王莺，高增梁，张芳，等.316L钢在不同温度下疲劳裂纹扩展的规律研究[J].压力容器，2014，21（6）：6-7.
[2]杨洪琴，鲍蕊，钱秀清，等.温度/交变载荷作用下裂纹扩展模型及其参量确定[J].机械强度，2017，32（4）：651-655.
论文作者:姜武1,郭学明2
论文发表刊物:《电力设备》2018年第23期
论文发表时间:2019/1/2
标签：垫片论文; 螺栓论文; 应力论文; 载荷论文; 疲劳论文; 断口论文; 裂纹论文; 《电力设备》2018年第23期论文;