压力管路超高压过滤器的失效分析

刘红安

（中海油能源发展股份有限公司工程技术深水钻采技术中心，海南 海口 570100）

1 背景

压力管路超高压过滤器是液压系统中必不可少的重要液压系统附件，随着我国对超高压管路的应用，超高压液压过滤器的需求越来越广泛，但目前市场上超高压过滤器多为进口过滤器，其价格昂贵，交货周期长。为了降低成本，控制交货周期，从而实现超高压液压过滤器的国产化，某公司研发了一款超高压液压过滤器，为适应腐蚀性介质与海洋环境等应用的需求，其主体材质使用了高强度的沉淀硬化不锈钢S17400/ASTM A564,H1100，但在压力测试过程中，滤筒沿底部周边断裂，笔者就此问题进行了检验与分析。

2 过滤器结构

此过滤器为压力管路超高压液压过滤器，主体结构有滤头、滤筒和滤芯，并带有旁通阀和发讯器，本次测试主要失效部件为滤筒。

3 检验与分析

3.1 壁厚核算检验

（1）滤筒圆周方向壁厚计算。此滤筒属于超高压壁厚设计，根据TSG R0002-2005《超高压容器安全技术监察规程》提供的壁厚公式（见公式1），计算断裂处的圆周方向壁厚：

其中， 为计算最小壁厚；Di 为滤筒内直径；nb为爆破安全系数；P 为爆破安全系数；φ为设计温度下材料强度减弱系数；Rp0.2为材料在常温下的屈服强度下限值，MPa；Rm为材料在常温下的抗拉强度下限值，MPa。

（2）滤筒底部壁厚计算。参考HB 6779-93《航空液压过滤器设计指南》提供的壁厚公式（见公式2），计算滤筒底部壁厚：

其中，t1为计算滤筒底部最小壁厚；D4为滤筒底部内径；Pe为额定工作压力，MPa；nb为爆破安全系数；为材料在常温下的屈服强度下限值，MPa。

代入相应数据，计算滤筒底部最小壁厚t1为：16.8mm，实际的最小壁厚为23mm，滤筒底部壁厚设计值符合要求。

3.2 化学成分分析

将滤筒进行化学成分分析，结果见表1，其化学成分符合ASTM A564/A564M-19 对S17400 钢的成分要求。

表1 S17400 的化学成分检测%

由此可见，S17400 钢的成分符合标准要求。

3.3 断面分析

对断裂面进行分析，发现整个断面较齐整，纹路清晰，在滤筒底部断裂，呈暗灰色，在光线照射下，易发现有闪烁金属光泽的结晶状，无明显的塑性变形，呈脆性断裂特征，见图1。

图1 滤筒圆周及底部断裂面

3.4 力学性能检验

对断裂滤筒进行取样，进行拉伸试验，结果见表2，其中，抗拉强度符合ASTM A564/A564M-19 对S17400 不锈钢的要求，但最小伸长率不符合相应标准的要求。

表2 S17400 的力学性能检验

3.5 滤筒裂纹分析

对断裂滤筒进行超声波裂纹检测，未发现裂纹，结果见表3。

表3 滤筒裂纹测试

3.6 应力模拟分析

用软件模拟，进行应力分析，发现最大应力处为滤筒的底部，最大应力值为3722.65MPa,远大于此滤筒材料的实际抗拉强度，如图2 所示。

图2 滤筒应力分析

3.7 原因分析

由以上化学成分与力学性能的检验结果可知，此滤筒材料的化学成分符合相应的标准要求，抗拉强度符合相应的标准要求，但最小伸长率不符合要求，塑性明显不足。再根据对断面裂纹的查看，断面位于滤筒底部，经确认，滤筒底部用电火花加工，滤筒无自然加工成型的刀尖圆弧圆角，在滤筒底部造成了应力集中，经应力模拟分析，其应力达到3722.65MPa，远超过该材料的抗拉极限。而滤筒所用材料为S17400 不锈钢材料，其属于沉淀硬化不锈钢，其金相组织属于马氏体组织，而马氏体组织的特征之一是硬度较高，但脆性较大，在应力远超抗拉强度的情况下，首先产生了微裂纹，在裂纹达到一定尺寸时，迅速扩大，最终导致断裂。

此滤筒的断裂符合脆性断裂的2 个典型特征：（1）容器没有明显的变形；（2）裂口齐平、且与滤筒的轴向垂直，断面形貌呈闪烁金属光泽的结晶状，断裂纹路指向裂纹源。

4 改进验证

根据以上的检验与分析，由于S17400 不锈钢材质的塑性较低，且其可能发生脆性断裂的性质，将材质改为塑性更佳的双相不锈钢S31803，并且将滤筒底部直角过渡改成大圆弧角过渡，以改善应力集中现象，首先对其进行最小壁厚设计核算，验证合格后，再对设计模型进行应力模拟分析，确定设计合理后，加工滤筒，在加工前，对原材料进行化学成分检测与力学性能检测，并对加工滤筒的原材料与加工后的滤筒进行裂纹检测，确定无裂纹，最终进行压力测试验证。

4.1 最小壁厚设计核算

（1）滤筒圆周方向壁厚设计计算。此滤筒壁厚设计属于超高压壁厚设计，根据TSG R0002-2005《超高压容器安全技术监察规程》提供的最小壁厚计算公式（见公式1），计算滤筒的圆周方向最小壁厚。代入相应数据，计算最小壁厚为：16.8mm，设计的最小壁厚为23mm，因此，滤筒底部的最小壁厚设计值符合要求。

（2）滤筒底部最小壁厚设计计算。参考HB 6779-93《航空液压过滤器设计指南》提供的最小壁厚公式（见公式2），计算滤筒底部最小壁厚。代入相应数据，计算滤筒底部最小壁厚为：21.9mm，设计的最小壁厚为23mm，滤筒底部最小壁厚设计值符合要求。

4.2 设计模型应力模拟分析

用软件对模型进行应力分析，设计最大应力处已由滤筒底部圆周处变更到滤筒底部的小孔内，且最大应力值为459.460MPa,小于此滤筒材料的抗拉强度，如图3所示。

图3 滤筒设计模型应力分析

4.3 化学成分检测

对滤筒的原材料进行化学成分检测，结果见表4，其化学成分符合ASTM A182/A182M-18 对S31803 双相不锈钢的成分要求。

表4 S31803 双相钢的化学成分 %

4.4 力学性能检验

对滤筒的原材料，进行力学性能检验，结果见表5，力学性能均符合要求。

表5 S31803 双相钢的力学性能要求

4.5 滤筒裂纹分析

（1）滤筒原材料的裂纹探伤。对滤筒原材料进行超声波裂纹检测，未发现裂纹，结果见表6。

表6 滤筒裂纹测试

（2）加工完成后的滤筒裂纹探伤。对加工完成后的滤筒进行超声波裂纹探伤，未发现裂纹，结果见表7。

表7 滤筒裂纹测试

4.6 压力测试

使用新滤筒组装过滤器，对组装后的过滤器进行压力测试，保压12h,无可见泄漏，滤头、滤筒无可见变形与损坏。

5 结语

（1）在设计超高压液压过滤器时，应选择塑性好、强度高的材料，并按标准要求进行裂纹检测。（2）在设计时，应避免应力集中现象。（3）对设计的滤筒进行应力分析可以帮助发现最大应力点，并对不合理的结构加以优化。