供氮气源装置膜片式泄压阀异常打开原因分析.pdf

Hydraulics Pneumatics&Seals/No.1.2024doi:10.3969/j.issn.1008-0813.2024.01.022供氮气源装置膜片式泄压阀异常打开原因分析李旭东，王俊丽，朱博闻，苏开明（凯迈（洛阳)气源有限公司,河南洛阳47 10 0 0)摘要：介绍了某供氮气源膜片式泄压阀异常打开原因的排查过程，分析可能造成泄压阀异常打开的原因，并针对可能原因进行试验验证和排查，通过气候模拟、能谱对源区成分分析等方法，对排查中发现的具体问题进行具体分析，最终发现故障原因并得出结论。关键词：泄压阀；气源；异常；应力中图分类号：TH138Abstract:This paper introduces the checking process of abnormal opening of a diaphragm pressure relief valve for nitrogen supply,analyzesthe reasons that may cause abnormal opening of the pressure relief valve,and tests and checks the possible reasons,by means of climatesimulation and energy spectrum analysis of the source area,the specific problems found in the investigation are analyzed,and the fault reasonsare finally found and concluded.Key words:pressure relief valve;air supply;abnormal;stress0前言文献标志码：ACause Analysis on Abnormal Opening of Diaphragm PressureLI Xu-dong,WANG Jun-li,ZHU Bo-wen,SU Kai-ming(Cama LuoYang Gas Supply Co.,Ltd.,Luoyang 471000,China)文章编号：10 0 8-0 8 13(2 0 2 4)0 1-0 115-0 4Relief Valve for Nitrogen Supply22021年7 月，部队某型作战车辆在外场进行露天战备执勤时，该作战车辆上面的2 套供氮气源装置上面安装的膜片式泄压阀出现了打开泄压情况，直接导致供氮气源装置内部贮存的35MPa高压氮气全部排放，造成任务失败，针对膜片式泄压阀异常打开情况，进行了详细分析，从理化检测、气候模拟等多个方面进行研究论证，最终得出膜片式泄压阀异常打开的初步原因。1供氮气源装置功能及组成供氮气源装置主要是由膜片式泄压阀、机械压力表、气瓶等组成，其主要结构组成如图1所示。机械压力表用于显示气瓶内气体压力，膜片式泄压阀用于当气瓶内气压异常超压时及时打开泄压，对气瓶本体进行保护，防止气瓶本体破裂对周边人员、设备造成破坏,膜片式泄压阀详细结构如图2 所示。收稿日期：2 0 2 3-0 7-14作者简介：李旭东（198 9-），男，河南洛阳人，工程师，本科，主要从事压力容器设计工作。1.气瓶2.压力表3.泄压阀图1供氮气源组成图C形槽壳体焊缝膜片图2 泄压阀结构示意图22原因分析膜片式泄压阀打开的原因主要有两种，即：气瓶内气压超压后的正常打开；其他未知原因造成的异常打开。2.1气瓶内气压是否超压排查泄压阀异常打开的发生地是在西北地区，我们查115液压气动与密封/2 0 2 4年第1期询当日的气候条件，然后通过氙灯试验箱模拟出当天的温度和光照幅度。然后准备1件完好的供氮气源装置，对其充装压力35MPa的高压氮气，将充气后的供氮气源装置放入氙灯试验箱，在供氮气源装置表面粘贴温度传感器用来监测气瓶表面温度变化，经过7 h的试验，温度传感器反馈的温度数值趋于稳定，我们将7 h的温度监测数据拟合出图3所示的温变曲线，最高温度为57.7,并在此温度趋于稳定。供氮气源装置的初始充气压力为3537 MPa(20时），根据范德瓦尔方程，以最高充气压力37MPa进行计算，得出57.7 时供氮气源装置内部气压约为42.2 MPa,该压力并未到达泄压阀的正常开启压力（512.6）MPa，由此判定泄压阀并非正常打开。810:30 11:30 12:30 13:30 14:30 15:30 16:30 17:30 18:30 19:30图3供氮气源装置表面温度变化曲线2.2泄压阀异常打开问题排查泄压阀膜片爆裂后的形貌如图4所示，可以看出，膜片从C形环区域撕裂打开,膜片撕裂变形后,在高压气体的吹扫下，与阀体内壁基本贴合。别有0.42%,0.2 2%占比的腐蚀性Cl元素存在。.12.588/27/20180020.00时间/h能谱观察时还发现,2#泄压阀的膜片上的C形环有较严重的腐蚀现象,腐蚀形貌如图7 所示,对腐蚀区域进行能谱测试,结果显示腐蚀区域的Cl含量达到了1.02%,如图8 所示。kV9.5mm(a)1#图52 件泄压阀断口形貌观察27-Aug-2018 09:2217Element.CKOKCIKSnL5nCuK20.024.004.008.004.08.00(b)2#Wt%At%04.8520.7401.5204.8900.4200.6104.4601.9388.751226.00(a)1#Aug-201809:22:120.00(b)2#图6 膜片阀撕裂口源区成分71.83Element:Wt%A1%CK07.82OK16.04CIK00.22SnL04.93FeK01.01CuK69.9724.0028.0023.0935.5400.2201.4700.6439.04图4泄压阀膜片爆裂后形貌将2 件泄压阀编号定为1#和2#,对两者的断口形貌、源区成分进行分析检查。1）1#、2#件断口形貌、源区成分通过扫描电镜对2 件泄压阀断口进行观察。两者的断口宏观形貌见图5所示,变形后的断口均呈弧形，M20.00kV/11.6.mm5000ETD源区断口均较平整，没有明显的宏观塑性变形。通过能谱对2 件泄压阀膜片的撕裂源区进行成分分析,结果如图6 所示，从图中可看出，撕裂源区域的主要成分符合泄压阀膜片材料成分锡青铜，但是也分116图7 2#膜片阀C形环腐蚀区域的腐蚀形貌2）同批次完好件断口形貌、源区成分对公司同批次的完好的泄压阀（定为3#）施加气压，逐渐升高至其膜片正常打开，打开后对破裂形态进Hydraulics Pneumatics&Seals/No.1.2024行观察,发现膜片从C形环处撕裂,现象与1#,2#的撕分析结果如图14所示,该附着物的主要成分为Zn,0,裂形态基本一致，如图9所示。Cl,Sn和 Cu，由此，我们推断该绿色物质为 Zn,Cu,Snervisor2018datal612-mayanqin的氧化物、氯化物。酸牌件50 0 3L5ecs:101anglian.spe 06-Sep-2018 10:27:29&2Cu5.03.7KCm250.0013CuElementW%A1%CK07.13OK11.92CIK01.02SnL07.86SnCI4.00图82#膜片阀C形环腐蚀区域源区成分-201810:02:1623.0828.9701.1202.57FeFeK8.0012.00Energy-kevKCn3.001.9801.3816.0020.0024.0028.0032.00Element.K00.76SnL05.78CuK70.09W%A1%03.0103.1142.88CuK5n0.004.00图113#泄压阀膜片撕裂口源区成分4010ecs:584010.spc 06-Sep-2018 10:40:3793.478.0012.00Eneergy-93.8820.0024.0028.00ElementOKSnLFeKCuKWt%A1%00.6702.6606.3803.4401.0301.1891.9392.710.00图93#泄压阀爆裂后形貌通过扫描电镜对3#泄压阀的断口进行观察，断口清晰,呈弧形，源区断口平整，没有明显的宏观塑性变形,断口宏观形貌如图10 所示。4.0051TPa408.00图123#泄压阀C形环源区成分PSI12.0020.024.0028.0032图13绿色附着物27-Aug-2018 09:34:52Element.CKOK9/6/2018det图10 3#泄压阀膜片断口形貌对3#泄压阀的膜片撕裂口及C形环区域进行成分分析,分析结果分别如图11、图12 所示，膜片撕裂口及C形环区域主要成分符合泄压阀膜片材料成分锡青铜,无C1元素存在。3）同批次已交付的其他泄压阀检查为了避免作战车上的其他供氮气源装置再发生类似问题，我们对其他供氮气源装置上的泄压阀进行检查。检查中发现,与2#泄压阀安装在同一位置的另一套供氮气源装置上的泄压阀膜片表面有绿色附着物，如图13 所示。将绿色附着物取出，通过能谱对其进行成分分析，Wi%A1%07.7322.4213.8430.151mmCIKSnLFeKCuKZnK2.00.00通过对泄压阀的生产过程进行排查，我们发现，在泄压阀的膜片焊接过程中,使用了以ZnCl,NH,Cl,水等为主要成分的助焊剂。助焊剂的主要元素成分与绿色附着物的主要成分基本吻合。3分析与讨论ZnCl,和NH,CI与水混合后相溶,溶液显酸性,可以溶解金属氧化物,其中,NH,CI的水溶液呈弱酸性，11714.4304.9301.8807.1650.046.008.0014.1901.4501.1703.9326.69nergy10.0012.00kev14.0016.00-18.0020.0022.00图14线绿色附着物成分液压气动与密封/2 0 2 4 年第1 期温度升高时酸性增强,特别对铜的腐蚀性更强。通过成分分析可知，泄压阀的膜片成分合格，金相组织无明显异常，断裂部位无疏松等缺陷。通过断口分析结果可知,膜片撕裂部位断口平整，没有明显塑性变形,但是在膜片断口区域检测出大量腐蚀CI元素存在。供氮气源装置内部充装有3 5 MPa高压氮气，泄压阀膜片长期承受高压作用，膜片长期承受张应力作用，在环境因素影响下，供氮气源装置内部压力会随着外界环境温度的变化而变化，例如：夜间温度低时，供氮气源装置的内部气压会降低，当中午温度高时，供氮气源装置内部气压会升高，相应的，泄压阀的膜片承受的张应力也在随之变化，如此循环。通过对同批次同车安装的另一件泄压阀内部发现的绿色附着物成分分析结果，以及泄压阀生产过程使用的助焊剂成分检查，我们可以得出，本批次泄压阀内部，存在助焊剂残留情况，而且从1#泄压阀、2#泄压阀的膜片撕裂区域成分分析可知，1#泄压阀、2#泄压阀必然有助焊剂残留。由于残留助焊剂的区域是长期与外界大气相通的，会接触到水汽，助焊剂与水结合后形成腐蚀性溶剂，加之外界高温，对泄压阀膜片持续进行腐蚀。泄压阀膜片长期承受气压作用下的张应力和腐蚀溶剂的腐蚀,这些符合应力腐蚀断裂特征，在两者的共同作用下，膜片发生应力腐蚀，最终导致膜片未达到设计的压力就发生异常爆破。4结论1#,2#泄压阀的膜片断面、C形环位置及断口源区均存在腐蚀形貌,2#泄压阀膜片的腐蚀形貌更为严重，且能谱检测显示都含有大量CI元素。同批次完好的3#泄压阀正常开启后的断口观察及源区形貌显示：其断面干净，C形环位置及断口源区均无腐蚀形貌，且能谱检测也未发现Cl元素。与2#泄压阀同车安装的另一件泄压阀膜片上存在绿色附着物,绿色附着物的成分与泄压阀生产中使用的助焊剂成分基本吻合。造成1#,2#泄压阀异常打开的原因可以判定为：在引用本文：李旭东，王俊丽，朱博闻，等.供氮气源装置膜片式泄压阀异常打开原因分析 J.液压气动与密封,2 0 2 4,4 4（1）：1 1 5-1 1 8.LI Xudong,WANG Junli,ZHU Bowen,et al.Cause Analysis on Abnormal Opening of Diaphragm Pressure Relief Valve for Nitrogen SupplyJ.Hydraulics Pneumatics&Seals,2024,44(1):115-118.118泄压阀生产焊接时，助焊剂未清理干净，造成助焊剂残留，导致腐蚀性元素长期附着在膜片上,残留助焊剂的区域是长期与外界大气相通的,会接触到水汽,助焊剂与水结合后形成腐蚀性溶剂,加之外界高温,对泄压阀膜片持续进行腐蚀。泄压阀膜片长期承受气压作用下的张应力，且会随着外界温度变化而变化。以上情况复合应力腐蚀特征，最终导致泄压阀在未达到设计的开启压力就发生异常爆破。泄压阀膜片异常打开问题定位准确，机理清楚，在今后的泄压阀生产过程中，建议更换无腐蚀性元素的助焊剂，同时焊接完成后严格控制清洗过程，设置检验点，检查有无助焊剂残留。对于与1#,2#泄压阀同批次的泄压阀进行更换，避免再次发生类似问题。通过上述措施，泄压阀异常打开问题得以解决，同时为我公司其他类似产品的生产制造总结了经验。参考文献1 丁阳.镍铝青铜合金应力腐蚀开裂及腐蚀疲劳行为的微观机理研究 D.上海：上海交通大学,2 0 1 9.2冯晓伟,郑志斌,冯波，等.镍铝青铜（NAB)的微观组织及腐蚀性能 J.腐蚀与防护,2 0 2 2,4 3（1 0）：8 4-8 8.3于宏，郑玉贵，姚治铭，等.ZQA19-4-4-2镍铝青铜在2.4%NaCl溶液中的空蚀行为 J.腐蚀科学与防护技术,2 0 0 7(3):181-185.4孙飞龙，李晓刚，卢琳，等.铜合金在中国南海深海环境下的腐蚀行为研究J金属学报，2 0 1 3，4 9（1 0）：1 2 1 1-1218.5 冯在强，唐明奇，李刚，等.形变锡青铜合金在3.5%NaCl溶液中腐蚀行为研究 J.铸造，2 0 1 6,6 5（3）：2 2 0-2 2 3.6李冰洁，江旭东，潘春旭.铜锡青铜合金腐蚀过程中的电化学与微结构特征研究 J.材料导报,2 0 1 7,3 1（1 1）：1 3 8-143.7骆青业，郁焕礼，宋健.不锈钢管路接头应力腐蚀开裂失效分析 J.化工设备与管道,2 0 2 2,5 9（6)：1 0 1-1 0 5.8 李小周，李帅毅，费良军，等.进排气流量系数对传统空气阀控制瞬变效果的影响J.流体机械，2 0 2 2，5 0（4）：5 8-64.9魏列江，李健伟，展鹏，等.复合型减振槽对高速叶片泵流量脉动影响研究 J.液压气动与密封,2 0 2 2,4 2（1 0）：1-6.