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        球閥閥桿斷裂失效分析

        2014-11-24 08:22:52西安泵閥總廠有限公司陜西710025邵宏智楊永良康永圣
        金屬加工(熱加工) 2014年5期
        關(guān)鍵詞:閥門檢測

        西安泵閥總廠有限公司(陜西 710025)邵宏智 楊永良 康永圣

        管線球閥是輸油輸氣管線中不可缺少的控制介質(zhì)元件。某單位使用的一臺進口管線球閥,在項目現(xiàn)場發(fā)生了閥桿斷裂事故,導致此臺閥門無法正常使用,委托我公司進行維修。為了找到閥桿斷裂的主要原因,特此進行了以下分析。

        閥桿斷口位于O形圈槽與臺階的過渡處,斷口面比較平整(見圖1)。閥門經(jīng)解體后發(fā)現(xiàn):球面有明顯的劃痕,并且有多處坑窩(見圖2);閥座上的O形圈已損壞,存在長約8mm的缺口(見圖3)。

        圖1 閥桿斷口形貌

        圖2 球體損傷部位

        圖3 閥座組件

        1.過程分析

        經(jīng)解體后得知:此閥門結(jié)構(gòu)為雙向閥座密封固定式球閥,主要由閥體、左右連接體、閥桿、上下支撐板、球體、密封圈、執(zhí)行機構(gòu)等組成;密封副由閥座組件上的O形圈與球體球面構(gòu)成;球體由上下兩個支撐板支撐,通過旋轉(zhuǎn)執(zhí)行機構(gòu)帶動閥桿轉(zhuǎn)動,從而實現(xiàn)球體的90°旋轉(zhuǎn),并通過進出口兩端閥座與球體的密封,實現(xiàn)接通和截斷介質(zhì)的目的。

        這種結(jié)構(gòu)形式的閥門特點是:閥門為筒狀體、固定球結(jié)構(gòu),閥座采用雙座雙向自密封結(jié)構(gòu),同時有預緊彈簧,保證密封可靠和自動泄放腔中過高壓力的功能;閥門內(nèi)置有支撐板,球體通過上下支撐板固定于閥腔之中,大大減小閥桿的受力情況。當閥門在正常工作時,介質(zhì)的密封力通過支撐板作用到連接體上,使得閥桿承受扭矩很小。

        2.理化分析及無損檢測

        (1)化學成分 用光譜分析儀進行光譜分析,結(jié)果參見表1。

        表1 閥桿材料化學成分(質(zhì)量分數(shù)) (%)

        從以上數(shù)據(jù)分析可以得知:閥桿的材質(zhì)符合ASTM A322對4130材料的要求。

        (2)力學性能試驗 斷裂閥桿加工成拉伸試樣,在WE—60型萬能材料試驗機上進行拉伸試驗,試驗結(jié)果見表2。

        從以上試驗數(shù)據(jù)可以得知:閥桿的力學性能是不達標的。為了探究力學性能偏低的原因,特此進行了微觀組織分析。

        表2 閥桿材料力學性能試驗數(shù)據(jù)

        (3)微觀組織分析 取樣部位為閥桿斷裂面,金相觀察縱截面金相組織為珠光體與鐵素體(見圖4),而且呈連續(xù)帶狀分布,帶狀組織達到5級(按GB/T13299—1991 C系列評級標準)。組織中鐵素體晶界清晰可見,珠光體帶寬窄不一,見圖5。

        圖4 閥桿截面金相組織 100×

        圖5 淬火+回火后試件金相形貌 500×

        從圖4明顯看出:鐵素體和珠光體呈帶狀交替分布,呈現(xiàn)出較為明顯的帶狀組織,內(nèi)部組織極不均勻。低合金鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后,內(nèi)部應分布較為均勻的回火索氏體組織。圖5為試樣經(jīng)合理工藝進行調(diào)質(zhì)處理的金相組織。

        (4)表面硬度檢測 閥桿在HB—3000型布氏硬度試驗機上檢測硬度,其表面硬度190~207HBW,明顯偏低。

        (5)無損檢測 分別對斷裂閥桿按JB/T4730—2005的規(guī)定進行了磁粉和超聲波無損檢測,結(jié)果顯示:表面及內(nèi)部無超標缺陷。

        3.扭矩及零件尺寸檢測

        (1)扭矩檢測 重新加工閥桿并組裝后,對事故閥門進行了扭矩測試,結(jié)果見表3。

        閥門的啟閉扭矩是隨著壓力的增加而不斷增大的,當壓力達到公稱壓力時,閥門的啟閉扭矩為300N·m,折算到閥桿上的扭矩值為2704N·m。經(jīng)計算,設(shè)計扭矩應為270N·m左右,實際操作扭矩遠大于設(shè)計扭矩。為了進一步找到扭矩劇增的其他原因,特此對此閥門的關(guān)鍵零件進行了尺寸檢測。

        表3 閥門扭矩測試數(shù)據(jù)

        (2)零件尺寸檢測 閥門解體后,用三坐標測量儀分別對支撐板、閥體與連接體組件等關(guān)鍵零部件進行尺寸檢測,數(shù)據(jù)見表4。

        表4 閥門關(guān)鍵零部件尺寸檢測數(shù)據(jù)

        對檢測數(shù)據(jù)進行分析得知,支撐板端面與連體端面存在較大間隙。上支撐板左邊間隙為1.53mm,右邊間隙為2.03mm;下支撐板左邊間隙為1.36mm,右邊間隙為2.17mm。

        若支撐板端面與連接體止口端面間隙過大,則在介質(zhì)力的作用下,支撐板會發(fā)生移動,將壓緊力傳遞到閥桿上,這樣會使閥桿承受很大的扭矩和剪切力。實踐證明:支撐板端面與連接體止口端面之間間隙為0.2~0.5mm時較為適宜。而此臺閥門支撐板與連接體止口端面的間隙遠超過0.5mm,在介質(zhì)力的作用下,閥桿會承受較大的扭矩。

        4.結(jié)語

        造成此臺管線球閥閥桿斷裂的主要原因有:支撐板端面與連接體止口端面之間存在過大的間隙,尺寸超差;閥桿材料的熱處理工藝不當,導致閥桿的強度、硬度均低于標準值。

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