曹海平

中國石油長慶油田分公司技術(shù)監(jiān)測中心(陜西西安710018)

高壓防爆電磁閥軸銷與螺釘斷裂原因剖析

曹海平

中國石油長慶油田分公司技術(shù)監(jiān)測中心(陜西西安710018)

通過受力分析、斷口分析、化學(xué)成分分析及金相檢驗(yàn)等方法，從宏觀力學(xué)及微觀機(jī)理分析了電磁閥閥桿軸銷與螺釘斷裂的原因。結(jié)果表明，造成軸銷斷裂的原因是電磁閥關(guān)閉不當(dāng)，螺釘斷裂的原因是電磁閥試驗(yàn)過程中螺釘承受較大的軸向載荷。

高壓防爆電磁閥;軸銷;螺釘;斷裂

電磁閥是氣田開發(fā)中井口生產(chǎn)管線上常用的一種自動控制裝置，接受控制信號后實(shí)現(xiàn)開啟和關(guān)閉，從而對管道中的流體介質(zhì)進(jìn)行控制。

某廠生產(chǎn)的型號為ZD-80/25-E，通徑80mm，壓力25MPa高壓防爆電磁閥共20只，按照合同約定在進(jìn)行閥門入庫質(zhì)量檢驗(yàn)時(shí)，有2只電磁閥密封試驗(yàn)中各有一M8mm×30mm的螺釘斷裂(圖1)，有4只電磁閥密封試驗(yàn)后無法正常啟閉。

為了解事件的原因，對不合格的6只電磁閥進(jìn)行解體檢查，發(fā)現(xiàn)每只電磁閥中均有一Φ6mm× 55mm的軸銷斷裂(圖2)。慎重起見，又對測試合格的電磁閥進(jìn)行復(fù)查，發(fā)現(xiàn)有8只電磁閥軸銷斷裂，此事引起使用單位的高度重視，要求通過分析找出斷裂原因。

圖1 螺釘斷裂部位圖

圖2 軸銷斷裂部位圖

1 檢驗(yàn)方法及結(jié)果

1.1 斷口宏觀分析

原始軸銷和斷裂軸銷宏觀形貌(圖3)，從圖3觀察，斷裂軸銷分3部分，沒有明顯的伸長或彎曲，無縮頸，斷口平齊而光亮，有金屬光澤，屬于脆性斷裂。

原始螺釘和斷裂螺釘形貌(圖4)，從圖4觀察，螺釘斷裂部位距端部8mm，斷口表面無裂紋和夾渣物，最終撕裂在中間部位，初步判定螺釘是被拉斷的。

1.2 化學(xué)成分分析

為了確認(rèn)螺釘和軸銷的材質(zhì)成分，采用電火花直讀光譜儀對螺釘和軸銷進(jìn)行成分測試，軸銷Φ6mm×55mm的化學(xué)成分見表1(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，符合GB/T 699-2008《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》標(biāo)準(zhǔn)中45鋼的技術(shù)要求［1-2］，內(nèi)六角螺釘M8mm×30mm的化學(xué)成分見表2(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，符合10B33材料的技術(shù)要求，與制造廠提供的材質(zhì)證明書相符。

圖3 軸銷宏觀形貌

圖4 螺釘宏觀形貌

1.3 金相分析

對斷裂的螺釘和圓軸銷斷口處分別取試樣，拋光經(jīng)4%硝酸酒精溶液侵蝕，進(jìn)行夾雜物、晶粒度以及顯微組織分析。螺釘?shù)慕鹣嘟M織(圖5)為回火索氏體及白色沿晶界分布的鐵素體。圓軸銷的金相組織(圖6)為珠光體和白色沿晶界分布的鐵素體。由此可見，材料組織成分均勻，也無晶間裂紋。

1.4 硬度及強(qiáng)度分析

由于斷裂螺釘和圓軸銷殘塊的尺寸較小，無法進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，因此對其進(jìn)行布氏硬度檢驗(yàn)，結(jié)果螺釘?shù)钠骄捕葹?48HB。按照GB/T 11721-1999《黑色金屬硬度與強(qiáng)度換算法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行換算后［3］，其抗拉強(qiáng)度約為506N/mm2，滿足有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)要求對該螺釘用鋼的強(qiáng)度要求［4］。

1.4.1 螺釘?shù)膹?qiáng)度校核

查看機(jī)械設(shè)計(jì)手冊［5］，M8螺釘?shù)淖畲蟪惺茌d荷35 500N，公稱壓力25MPa時(shí)，絲杠受力9 500N。

如果軸銷斷裂，閥門的壓力直接作用在主閥芯上，密封試驗(yàn)壓力27.5MPa時(shí)，單個(gè)螺釘最大承受載荷51 993N，導(dǎo)致壓蓋螺釘斷裂。

1.4.2 軸銷強(qiáng)度校核

軸銷許用剪切力:

表1 軸銷的化學(xué)成分/%

表2 內(nèi)六角螺釘?shù)幕瘜W(xué)成分/%

圖5 螺釘斷面金相圖

圖6 軸銷斷面金相圖

式中:τp為45#鋼軸銷的許用剪切應(yīng)力，τp= 80MPa;d為軸銷的直徑，d=8mm;Z為軸銷數(shù)量，Z=1個(gè)。

當(dāng)關(guān)閉閥門力矩360N·m(通過手輪或手柄施加斷開扭矩不超過360N·m)時(shí)，作用在軸銷上的作用力為90 000N。

可見，在正常關(guān)閉力矩下，軸銷是安全的。當(dāng)關(guān)閉力矩超過一定值時(shí)，將會導(dǎo)致軸銷剪切斷裂。

圖7 電磁閥裝配圖

2 原因分析

電磁閥是利用電磁線圈產(chǎn)生的磁場來拉動閥芯，從而改變閥門的通斷。從原理上分直動式、分布直動式、先導(dǎo)式3大類。對于直動式電磁閥(圖7)通電時(shí)，電磁線圈產(chǎn)生電磁力把關(guān)閉件從閥座上提起，閥門打開;斷電時(shí)，電磁力消失，彈簧把關(guān)閉件壓在閥座上，閥門關(guān)閉。手動開啟閥門時(shí)，絲杠12上移，閥門在內(nèi)壓作用下閥組件上移，閥門開啟;絲杠12下移時(shí)，彈簧壓縮簧壓縮，閥門關(guān)閉。軸銷9主要限制絲杠12的行程，通過力矩保護(hù)，避免閥門損壞。閥門在進(jìn)行密封試驗(yàn)時(shí)，操作人員按照慣例，用管鉗對閥門進(jìn)行緊固，當(dāng)關(guān)閉力矩增大到一定程度，閥門在關(guān)閉過程中，銷軸中心部位承受較大的壓應(yīng)力，當(dāng)壓應(yīng)力超過銷軸的許用應(yīng)力，軸銷9被剪斷。絲杠繼續(xù)下移，主彈簧13壓縮，絲杠12推動主閥芯組件5下移。電磁閥密封試驗(yàn)時(shí)，主彈簧13已經(jīng)壓縮，失去彈力，閥門內(nèi)部的壓力通過主閥芯組件5直接作用在絲杠12上，提升組件10和內(nèi)六角螺釘11同時(shí)帶壓，閥組件承受較大的軸向載荷，螺釘超過其許用應(yīng)力而拉斷。

3 結(jié)語

1)從以上分析可以看出，電磁閥關(guān)閉力矩過大，軸銷斷裂，主閥芯組件自由移動行程縮短或?yàn)榱?壓力試驗(yàn)時(shí)，主閥芯組件承受較大推力，導(dǎo)致螺釘斷裂。

2)電磁閥正常使用時(shí)嚴(yán)禁手動操作，手動狀態(tài)進(jìn)行密封試驗(yàn)，應(yīng)注意關(guān)閉力矩不能太大，如果閥門不能完全關(guān)閉，既有力矩設(shè)定的原因，也有行程控制的原因，不能簡單地認(rèn)為閥門質(zhì)量不好。

3)手動閥門只允許用正常體力關(guān)閉，而不得借助于其他輔助器械，當(dāng)手輪直徑≥320mm時(shí)允許由2人關(guān)閉。有驅(qū)動裝置的閥門，應(yīng)使用驅(qū)動裝置進(jìn)行試驗(yàn)。如技術(shù)上有關(guān)閉力矩要求時(shí)，需用測力扳手測關(guān)閉力矩。

［1］GB/T 3098.1-2010緊固件機(jī)械性能螺栓、螺釘和螺柱［S］.

［2］GB/T 699-2008優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼［S］.

［3］GB/T 11721-1999黑色金屬硬度與強(qiáng)度換算法［S］.

［4］API 6D-2008石油和天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)管線閥門［S］.

［5］中國機(jī)械工程學(xué)會.機(jī)械設(shè)備手冊［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2007.

The facture reasons of the shaft pin and screw of a high voltage explosion-proof solenoid valve are analyzed thought force analysis，fracture analysis，chemical composition analysis and metallographic examination.The results show that the fracture reason of the shaft pin is that the solenoid valve is closed improperly，and that the fracture reason of the screw is that the axial load of the screw is too great in the testof the solenoid valve.

high voltage exp losion-proof solenoid valve;shaft pin;screw;fracture

張簫鈴

2014-06-05

曹海平(1969-)，男，工程師，主要從事特種設(shè)備檢驗(yàn)與技術(shù)質(zhì)量管理工作。