黃星星

關(guān)鍵詞：截止閥;閥芯;失效分析;疲勞開裂

0 引言

閥門在石油化工行業(yè)中是一個非常重要的元件，作為介質(zhì)流量大小的控制單元，它調(diào)節(jié)并控制著流體的輸送量，并影響著流體的流動速度。

在正常的工業(yè)生產(chǎn)中起著不可或缺的作用。不幸的是，閥門的失效在各大工程項目中不少發(fā)生[1]，具體的失效形式有很多，但無疑都導(dǎo)致了閥門喪失了或減少了對流體的控制。一旦發(fā)生閥門失效，則會對工業(yè)生產(chǎn)帶來巨大影響，除了不可估量的經(jīng)濟損失外，很多情況還造成了嚴(yán)重的人員傷亡[2]。為了避免同樣的事故再次發(fā)生，在事故發(fā)生后需要對失效原因進行客觀認真的分析，提出科學(xué)合理的解決方案。

1 高壓蒸汽截止閥的結(jié)構(gòu)

本文中列舉的就是我司某水處理模塊項目實例，該項目中高壓蒸汽管線中的一臺截止閥出現(xiàn)閥芯開裂的情況。圖1為該高壓蒸汽截止閥的結(jié)構(gòu)示意圖，閥門型號為ED，閥芯材質(zhì)為316不銹鋼。工作入口壓力4.4MPa，工作溫度在400℃左右，閥體尺寸200mm，介質(zhì)為水蒸汽。蒸汽從底部進入，閥桿通過上下移動帶動閥芯進而控制氣體的流動。蒸汽閥在裝置開車約8個月后，客戶在現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)其下游管道物料成分偏離正常值，通過停車檢查發(fā)現(xiàn)該閥芯開裂。閥芯的開裂對生產(chǎn)造成了不良影響，于是客戶要求我司重新供貨，替換該閥門。我司為了分析閥芯開裂原因，將故障閥門帶回并對失效部位進行了取樣分析。

2 閥芯開裂原因分析

為了確定清楚閥芯開裂的原因，對其失效位置金相組織進行了宏觀觀察、掃描電鏡分析以及材質(zhì)分析，一步步排查和確定。

2.1 宏觀觀察

圖2為發(fā)生失效開裂后的閥芯，閥芯頂部與閥桿連接。從閥芯外壁（圖2（a））可以觀察到，裂紋從閥芯的底部沿軸向擴展，沿軸向擴展約10mm后，在閥芯中部裂紋出現(xiàn)分支。閥芯表面金屬顏色顯示，閥芯明顯受到高溫影響。從圖2（b）可以觀察到裂紋沿閥芯厚度貫穿了閥芯。

為了分析導(dǎo)致斷裂的原因，我們對斷口位置通過線切割進行了取樣分析，取樣位置如圖2（a）所示的斷口取樣區(qū)。圖3為斷口宏觀形貌，從斷口宏觀形貌上可以發(fā)現(xiàn)斷口上呈現(xiàn)放射紋和貝殼紋，因此可以得出裂紋是由閥芯內(nèi)壁向外壁擴展。放射紋和貝殼紋的出現(xiàn)表明導(dǎo)致閥芯開裂的原因是金屬疲勞，疲勞源位于放射紋聚集點。從圖3可以看出，起裂源位于閥芯內(nèi)壁。從圖3中，可以觀察到有多個疲勞源。

斷口宏觀形貌分析表明：導(dǎo)致閥芯失效的原因是疲勞，疲勞源位于閥芯內(nèi)表面，且屬于多疲勞源形式的失效。

2.2 掃描電鏡分析

為了進一步確定閥芯開裂屬于疲勞引起，再對斷口進行掃描電鏡分析。結(jié)果如圖4（a）所示，掃描電鏡下觀察到斷口表面有明顯的疲勞輝紋，且疲勞輝紋的擴展方向沿內(nèi)壁向外壁，進一步證明了閥芯的開裂是由疲勞裂紋的擴展導(dǎo)致。從上圖的圖3可以看出，斷口表面的放射紋匯集于閥芯內(nèi)壁，為了弄清導(dǎo)致疲勞開裂的根本原因，我們又對內(nèi)壁進行了觀察分析。圖4（b）為斷口靠近內(nèi)壁的形貌，疲勞源為凹坑，可以表明疲勞很可能是由閥芯內(nèi)壁的凹坑造成，而凹坑可能是由腐蝕引起的。請見下方斷口表面宏觀圖片。

斷口的宏觀形貌和掃描電鏡分析表明閥芯的疲勞起源于閥芯內(nèi)壁，疲勞源處存在凹坑。為了進一步分析凹坑產(chǎn)生的原因，還需要對閥芯內(nèi)壁進行觀察。利用砂紙打磨內(nèi)壁的氧化，然后通過掃描電鏡和EDS觀察并分析內(nèi)壁。圖5為內(nèi)壁的分析結(jié)果，從圖5（a）中可以看出內(nèi)壁表面存在腐蝕坑。利用EDS分析腐蝕坑的化學(xué)成分，結(jié)果如圖5（b）所示。從圖中可以觀察到，腐蝕坑中含有大量的Cr元素和O元素，同時也檢測出不銹鋼中不應(yīng)該不存在的元素如Cu元素和Zn元素。所以導(dǎo)致腐蝕出現(xiàn)的原因很可能是因為Cu元素、Zn元素和少量出現(xiàn)的S元素。

掃描電鏡的分析結(jié)果表明閥芯斷口有疲勞輝紋，疲勞輝紋是疲勞斷裂最明顯的特征[3]。疲勞源位于閥芯內(nèi)表面的腐蝕坑，腐蝕坑內(nèi)有Zn，Cu和少量S，這些元素導(dǎo)致了內(nèi)壁的點腐蝕。

2.3 材質(zhì)分析

在結(jié)構(gòu)部件失效分析中，由于材料不符合導(dǎo)致災(zāi)難性后果屢見不鮮[4]。如果是由于材料不滿足標(biāo)準(zhǔn)需求，那么構(gòu)件的失效很有可能是材料引起。為了進一步弄清閥芯的疲勞開裂是否由材料導(dǎo)致，對閥芯材料進行了化學(xué)成分檢測。表1是閥芯材料通過光譜檢測獲得的化學(xué)成分，該結(jié)果表明閥芯材料符合316不銹鋼的標(biāo)準(zhǔn)。

為了進一步確定導(dǎo)致疲勞開裂的原因，取垂直于斷口的表面進行金相組織觀察。將試樣用砂紙打磨，最終用拋光布拋光得到拋光狀態(tài)的試樣，將拋光后的試樣利用草酸電解后得到腐蝕態(tài)的試樣。通過腐蝕態(tài)的試樣可以用來觀察閥芯材料的金相組織是否正常。結(jié)果表明，拋光態(tài)和侵蝕態(tài)下都發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁有裂紋，如圖6（a）和6（b）所示。圖6（a）和（b）為不同的位置，兩圖中都有裂紋，表明閥芯的開裂屬于多疲勞源的開裂。圖6（b）中裂紋起源于凹坑處，表明疲勞源可能是腐蝕坑。多疲勞源主要是由于多個腐蝕坑分布在閥芯的內(nèi)壁。標(biāo)準(zhǔn)的316不銹鋼的金相組織是奧氏體，奧氏體為多邊形狀。閥芯材料的金相組織如圖6（b）所示，從圖中可以觀察到閥芯材料的金相組織為奧氏體。因此，閥芯材料的金相組織符合標(biāo)準(zhǔn)。材質(zhì)分析表明閥芯材料的化學(xué)成分和金相組織都符合標(biāo)準(zhǔn)。

3 分析結(jié)果討論

材質(zhì)分析表明閥芯材料的化學(xué)成分和金相組織符合標(biāo)準(zhǔn)要求;宏觀形貌觀察表明斷口有放射紋和貝殼紋，放射紋匯聚于閥芯內(nèi)壁（如圖3），可以確定閥芯開裂是由疲勞裂紋的擴展導(dǎo)致，且屬于多疲勞源的開裂，疲勞源位于閥芯內(nèi)壁。斷口掃描電鏡分析表明疲勞源位于閥芯內(nèi)壁的凹坑處（如圖4（b））;閥芯內(nèi)壁的掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)閥芯內(nèi)壁存在腐蝕，而且還存在起源于腐蝕坑并平行于斷口的裂紋，如圖5所示，表明疲勞很可能是由腐蝕坑造成。金相觀察（如圖6）發(fā)現(xiàn)凹坑處存在裂紋，也表明疲勞可能是由腐蝕造成的。腐蝕坑內(nèi)有Zn，Cu和少量S，這些元素導(dǎo)致了內(nèi)壁的點腐蝕。

在石油化工行業(yè)中，截止閥需要根據(jù)生產(chǎn)的需求不斷進行開關(guān)。由于入氣口的蒸汽壓為4MPa，在截止閥控制蒸汽流動的過程中，承受交變載荷。在閥芯沒有被腐蝕情況下，交變應(yīng)力較小，疲勞裂紋形成很慢甚至不會發(fā)生疲勞開裂。由于腐蝕坑的出現(xiàn)，造成了應(yīng)力集中，在腐蝕坑處出現(xiàn)較大的交變應(yīng)力。因此，腐蝕坑的出現(xiàn)加速了疲勞裂紋的形成以及擴展，最終導(dǎo)致閥芯開裂。

4 結(jié)論

本文針對某高壓蒸汽截止閥的開裂失效進行了一系列的理論和實驗分析，通過斷口宏觀觀察、掃描電鏡觀察、金相組織以及能譜分析確定了失效發(fā)生的原因。分析結(jié)果表明：閥芯材料化學(xué)成分和金相組織符合標(biāo)準(zhǔn)，不是材料的問題。而裂紋產(chǎn)生于閥體的內(nèi)壁，除斷口外，內(nèi)壁還有平行于斷口的微裂紋。該高壓蒸汽閥閥芯開裂是疲勞所致。

疲勞開裂起裂處存在微觀腐蝕坑，這些腐蝕坑造成的應(yīng)力集中加速了疲勞裂紋的產(chǎn)生。通過分析得出腐蝕坑內(nèi)有Zn，Cu和少量S等金屬元素，這些元素導(dǎo)致了內(nèi)壁的點腐蝕。由于閥門安裝后我在我司項目場地上并未進行過試車，未有介質(zhì)流入。閥門出廠時所有的檢測也都是按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定嚴(yán)格進行。檢驗合格后才用于我司項目安裝。所以這些元素很有可能是客戶現(xiàn)場使用過程中，工藝系統(tǒng)里的高溫蒸汽帶入。所以，為了避免腐蝕的發(fā)生從而引起疲勞開裂，我們建議客戶立即排查現(xiàn)場上游管線及設(shè)備中介質(zhì)情況，嚴(yán)格控制蒸汽中的元素。

通過嚴(yán)格科學(xué)的分析，精確縝密的推論，我們嚴(yán)格完成了此次質(zhì)量事故的調(diào)查和處理。及時找到了原因并提出整改方案，避免了后續(xù)進一步的損失。但同時，也再次提醒我們對于后續(xù)項目中的各項物料采買工作一定要嚴(yán)格、細心。嚴(yán)格把關(guān)，精確控制，保證產(chǎn)品交貨到客戶現(xiàn)場后能有效服役，安全生產(chǎn)。

參考文獻：

[1]王德忠，邢萬坤.活塞壓縮機氣閥損壞原因分析[J].壓縮機技術(shù)，2008，5（1）.

[2]王愛華，楊崇栓.小口徑電站閥門密封面的失效分析[J].閥門，1993（2）：9-11.

[3]張曉東，閆家，汪凱，等.鉆柱內(nèi)防噴止回閥結(jié)構(gòu)及失效原因分析[J].石油礦場機械，2013（03）：79-82.

[4]關(guān)文秀，姜濤，陶春虎，等.從失效案例分析軸承的早期失效[J].材料工程，2013（12）：14-20.