【摘 要】本文分析了一起閥門(mén)斷裂事故的原因，同時(shí)提出了一些建議。

【關(guān)鍵詞】閥門(mén)；事故

0.前言

本市某茶廠一臺(tái)運(yùn)行中的鍋爐分汽缸（出口至車(chē)間閥門(mén)）突然發(fā)生了閥蓋斷裂事故，造成人員受傷。事故發(fā)生后，作為一名鍋爐檢驗(yàn)人員，筆者隨事故調(diào)查人員奔赴現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查。本文通過(guò)事故現(xiàn)場(chǎng)勘察，閥門(mén)解體宏觀檢查，閥蓋斷口電競(jìng)掃描，閥蓋取樣檢驗(yàn)檢測(cè)，對(duì)事故閥門(mén)的閥蓋斷裂失效原因進(jìn)行了詳細(xì)分析。

1.現(xiàn)場(chǎng)描述與分析

（1）鍋爐房?jī)?nèi)平行布置有鍋爐和分汽缸。斷裂閥門(mén)為分汽缸出口至生產(chǎn)車(chē)間的一柱塞閥。

（2）斷裂部位為閥蓋根部。此部位是應(yīng)力集中部位。

（3）閥蓋斷裂后，斷裂后的閥蓋頂、手輪、閥桿與柱塞（后面稱(chēng)之為飛出件）一起整體飛出，撞擊到鍋爐外壁后掉落在地。

（4）鍋爐外壁留下了撞痕，經(jīng)痕跡比對(duì)，可判斷飛出件的撞擊部位為手輪的頂部。

（5）安全閥與壓力表在檢定有效期內(nèi)，所以當(dāng)時(shí)鍋爐應(yīng)該沒(méi)有超壓運(yùn)行。

2.事故原因分析

2.1閥門(mén)的材質(zhì)的確定

經(jīng)對(duì)閥蓋取樣進(jìn)行碳硫分析，其碳、硫含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）分別為：3.373%和0.0590%。又經(jīng)能譜分析，修正因舍去碳硫而引起的誤差后得到其成分。從碳含量可以判斷它是鑄鐵，其成份中沒(méi)有其它特殊合金元素，故其不是合金鑄鐵。

參照《實(shí)用鑄鐵技術(shù)》[1] 34頁(yè)表1-15，本次事故閥門(mén)中的成分除磷外與HT100和HT150的成分符合性更好。但磷含量大大超出一般灰鑄鐵的含量范圍，它致少造成兩個(gè)后果：

（1）大大降低了組織的致密性，增加鑄造時(shí)疏松、縮孔等缺陷的產(chǎn)生，從而降低了鑄件的強(qiáng)度。

（2）增加了鑄件的脆性。

查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》[2]第2篇第1章鋼鐵材料中的鑄鐵可知，HT100不適合做閥體，所以，認(rèn)為此閥門(mén)的材質(zhì)為HT150。

2.2閥蓋斷裂形式

閥蓋斷口經(jīng)電鏡掃描，如圖1，可以斷定其為解理性脆性斷裂。

它的意義即是，在瞬間力的作用下（此力甚至可以小于材料的屈服強(qiáng)度 或者），試件從源裂紋瞬間撕裂。

2.3尋找源裂紋

從斷口的宏觀檢驗(yàn)即可發(fā)現(xiàn)此源裂紋，仔細(xì)觀察斷口，不難發(fā)現(xiàn)，斷口內(nèi)圈顏色與外圈顏色有明顯的區(qū)別。內(nèi)圈顏色呈紅色，而外圈顏色呈灰色。這是因?yàn)?，由于長(zhǎng)期受到?jīng)_擊載荷以及應(yīng)力集中等因素，閥蓋內(nèi)壁在閥蓋未斷裂前就產(chǎn)生了裂紋，而且裂紋張口面已經(jīng)被氧化產(chǎn)生了三氧化二鐵，故呈紅色；而斷口外圈，是在外力作用下瞬間被撕開(kāi)的，是灰鑄鐵的新鮮斷口，呈灰色。

另外，再仔細(xì)觀察斷口，可以發(fā)現(xiàn)，斷口從內(nèi)至外，形貌有細(xì)微的變化。斷口內(nèi)圈，是呈紅色的平整一圈；緊挨著內(nèi)圈的是呈灰色的、細(xì)小顆粒狀的一圈；而最外圈，是呈灰白色而較中間圈更為平整的一圈。這種形貌，正表征了閥蓋斷裂的過(guò)程。最內(nèi)圈是斷裂前就存在的裂紋，在瞬間外力的作用下，裂紋有一定阻力地往外擴(kuò)展，當(dāng)擴(kuò)展到了最外層時(shí)，阻力變得微弱，閥蓋崩潰式的裂斷。所以，源裂紋即是呈紅色的斷口內(nèi)圈。

2.4尋找外力源

分析閥蓋的受力，它只受到閥桿和閥蓋法蘭對(duì)它的作用力。只兩個(gè)力為平衡力。而閥桿的受力除閥蓋外，來(lái)自于兩方面，一是手輪，二是柱塞。由于事故時(shí)，未使用助力扳手且開(kāi)度也只處于中間的部位，所以，手輪對(duì)閥桿的力可以不計(jì)。所以閥桿的受力大小，取決于柱塞。

再對(duì)柱塞進(jìn)行受力分析。在碰撞時(shí)刻，柱塞只受到兩個(gè)力，一是閥桿對(duì)它的力，二是可能存在的因汽壓波動(dòng)而導(dǎo)致的撞擊。經(jīng)過(guò)推導(dǎo)，閥桿受力大小取決于三個(gè)方面：柱塞對(duì)閥桿的沖擊、蒸汽對(duì)柱塞的靜壓力以及可能存在的因汽壓波動(dòng)而導(dǎo)致的撞擊。

2.5此外力能使閥蓋承受多大的應(yīng)力

2.5.1幾點(diǎn)假設(shè)

（1）閥蓋兩端為剛性，閥蓋筒體處于彈性狀態(tài)，閥蓋在沖擊過(guò)程沒(méi)有完成之前沒(méi)有斷裂且保持原物性參數(shù)。

（2）閥蓋與閥桿之間的作用與柱塞與閥桿的碰撞同時(shí)發(fā)生，力的傳導(dǎo)不需要時(shí)間。

（3）閥桿處于彈性狀態(tài)。

（4）不計(jì)及柱塞與密封面的磨擦。

（5）柱塞一開(kāi)啟，流道內(nèi)立刻充滿(mǎn)蒸汽，且蒸汽壓力為當(dāng)時(shí)的工作壓力。

（6）不計(jì)沖擊時(shí)熱能損失。

2.5.2過(guò)程描述

當(dāng)時(shí)蒸汽壓力為p，柱塞從A點(diǎn)以初速度為零的狀態(tài)由蒸汽推動(dòng)往B點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，到達(dá)B點(diǎn)時(shí)的速度是V，柱寒在B點(diǎn)沖擊閥桿，閥桿在彈性范圍內(nèi)被壓縮，此時(shí)閥桿的壓縮量是△LOB，柱塞速度為零閥蓋在閥桿的作用下伸長(zhǎng)，C點(diǎn)伸長(zhǎng)到C*點(diǎn)，閥蓋的伸長(zhǎng)量為△LCD。最后，B點(diǎn)移動(dòng)到B*點(diǎn)，移動(dòng)的距離為L(zhǎng)BB*，柱塞速度為零。沖擊過(guò)程的沖擊力為Fd，它是一個(gè)變化的量，隨著閥桿的壓力縮增大而增大，在沖擊的最后達(dá)到最大值Fdmax 。

2.5.3經(jīng)推導(dǎo)可得

由上述公式求解得σ閥蓋=149.33MPa。另查GB/T9439-2010《灰鑄鐵件》[3]附錄A表A.1，HT150的抗拉強(qiáng)度為150～250MPa，在149.33MPa的沖擊作用力下，在有源裂紋的情況下，完全有可能發(fā)生解理性脆性斷裂。而實(shí)際上，由于存在汽擊，加上斷裂部位為應(yīng)力集中部位，其疊加沖擊力將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于149.33MPa，此種情況下，斷裂幾乎不可避免。

3.事故結(jié)論和建議

（1）閥蓋裂紋與閥門(mén)磨損是閥門(mén)斷裂的是主要因素，是事故的直接原因。

（2）閥門(mén)年久失修，沒(méi)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)閥蓋裂紋和閥門(mén)磨損是事故的間接原因。

（3）廠方?jīng)]有建立相關(guān)的操作規(guī)程或操作細(xì)則存在管理上的漏洞。

（4）此閥門(mén)斷裂與操作方式?jīng)]有必然的關(guān)系。依據(jù)閥門(mén)的結(jié)構(gòu)，只要閥門(mén)磨損到一定的程度，閥門(mén)斷裂是必然會(huì)發(fā)生的。

（5）目前還沒(méi)有明文規(guī)定須對(duì)此種小閥門(mén)有專(zhuān)門(mén)的操作規(guī)程。建議今后能夠建立盡量詳盡的操作規(guī)程。

【參考文獻(xiàn)】

[1]胡家驄.實(shí)用鑄鐵技術(shù)[M].遼寧：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2008.

[2]聞邦椿.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[3]GB/T9439-2010，灰鑄鐵件[S]，2010.