球閥閥杆斷裂失效分析 - 高工閥（fá）門股份有限公司

管線球閥是輸油輸氣管線中不可（kě）缺少的控製介（jiè）質元件（jiàn）。某單位使用的1台進口管線球閥，在項目現場發生了閥杆斷裂事故，導致此台閥門無（wú）法正常使用，委托我公（gōng）司進行維修（xiū）。為了找到閥杆斷裂的主要原因，特此進行了（le）以下分析。

閥杆斷（duàn）口位於O型圈槽（cáo）與台階（jiē）的過渡處，斷口麵比較平整（見圖1）。閥門經解體後發現：球麵有明顯的劃痕，並且有多處坑窩（見圖（tú）2）；閥座上的O型圈已損壞，存在長約8mm左右的缺口（kǒu）（見圖3）。

1.分析過程

經解體後得知：此（cǐ）閥門結（jié）構為雙向閥座密封固定（dìng）式球閥，主要由閥體、左右連（lián）接體、閥杆、上下（xià）支撐板（bǎn）、球體、密封圈、執行機構（gòu）等組成；密封副由閥座組件上（shàng）的O型圈與球體球麵（miàn）構（gòu）成；球體由上、下兩個支撐板支（zhī）撐，通過（guò）旋轉執行機構帶動閥杆轉動，從而實現（xiàn）球體的90°旋轉，並通過進、出口兩端閥座與球體的密封，實（shí）現接通和截（jié）斷介質的目的。

這種結構（gòu）形式的閥門特點是：閥（fá）門為筒狀體、固定球結構，閥（fá）座采用雙座雙向自密封結構，同時有預緊彈簧，保證密封（fēng）可靠和自動泄放中腔過（guò）高壓力的功能；閥門內置（zhì）有支撐板，球體通過上下支撐板（bǎn）固定於閥（fá）腔之中，大大減小閥杆的受力情況。當閥門在正常工作時，介質（zhì）的（de）密封（fēng）力通過支撐板作用到連接體（tǐ）上，

2.理化分（fèn）析及無損檢測

（1）化學成分 在光譜分析儀進行了光譜分析，分析結（jié）果（guǒ）參見表1。表1 閥杆材料化學成分（質量分數）（%）

	C	Mo	Cr	Mn	Si	P	S
標準值（zhí）	0.28～0.33	0.15～0.25	0.8～1.10	0.4～0.6	0.15～0.35	≤0.035	≤0.040
檢測值	0.303	0.17	0.92	0.48	0.17	0.018	0.011

從以上分析數據可以（yǐ）得知：閥杆的（de）材質符合ASTM A322對4130材料的要求。
（2）力學性能試驗
斷裂閥杆加工成拉伸試樣，在WE-60型萬能材（cái）料試驗機（jī）進行拉伸試驗，試驗結果見表2。表2 閥杆材料力學（xué）性能試驗數（shù）據

	抗拉強度σb/MPa	屈服（fú）強度σS/MPa	伸長率A（%）
標（biāo）準要求	≥1145	≥1110	≥26
試驗值	660	465	9

從以上試（shì）驗數據可（kě）以（yǐ）得知：閥杆的力學性能是不達標的。為了探究力（lì）學性能偏低的原因，特此進行了微觀（guān）組織分析。
（3）微（wēi）觀組織分析（xī）
取樣部位為閥杆（gǎn）斷裂麵，金相觀察（chá）縱截（jié）麵金相組織（zhī）為珠光體與鐵素體（見圖4），而且（qiě）呈連續帶狀分（fèn）布，帶狀（zhuàng）組織達到5級（按（àn）GB/T13299-1991 C係列評級標準）。組織中鐵素體晶界清晰可見，珠光（guāng）體帶寬窄不一（yī），見圖5。

從圖4明顯（xiǎn）看出：鐵素體和珠光體呈帶狀交替分布，呈現（xiàn）出較為（wéi）明顯的（de）帶狀組織，內部組織極不均勻。低合金（jīn）鋼（gāng）經調質處理後，內部應分布較為均勻的回（huí）火索氏體組織。圖5為試樣經合理熱處理工藝進行調質處理的金相組織。

（4）表麵硬度檢測

閥杆（gǎn）在（zài）HB-3000型布氏硬度試驗機上檢（jiǎn）測硬度，其表麵硬度190～207HBW，明顯偏低。

（5）無損檢測

分別對斷裂閥杆按JB/T4730-2005的規定進行了磁粉和超聲波探（tàn）傷檢驗（yàn），結果顯示：表麵及內部無超標缺陷。

3.扭矩（jǔ）及零件尺寸檢測

（1）扭（niǔ）矩檢測

重新加工閥杆並組裝後，對（duì）事故閥門進行了扭矩測試，試（shì）驗（yàn）結果（guǒ）見表3。

表3 閥（fá）門扭矩測試數據

	單麵進壓，檢測閥門執行機構輸出軸的扭矩
壓力P/MPa	0.5	1.0	1.8	3.0	4.0	5.0	6.3
扭矩（jǔ）T/N·m	40	80	100	140	170	250	300

從以上數據得（dé）知（zhī）：閥門的啟閉扭矩是隨著壓力的增加而不斷增大的（de），當壓力達到公稱壓力時，閥門的啟閉扭矩（jǔ）為300N·m，折算（suàn）到閥杆上的扭矩值為2704N·m。經計（jì）算，設計扭矩應為270N·m左右，實際操作扭矩遠大於設計扭矩。為了（le）進一步找到扭矩劇增的其他原因，特此對此閥門的關鍵零件進行了尺寸檢測。

（2）零件尺寸檢測

閥門解體後，用三坐標測量儀分別對（duì）支撐（chēng）板、閥體與連接體組件（jiàn）等關鍵零部件進行（háng）了尺寸檢測，檢測數據見表4。

表4 閥門關鍵（jiàn）零部件尺寸檢（jiǎn）測數據

檢測部位	支撐板兩端麵到軸孔中心尺寸	閥（fá）體止口端麵至閥體軸孔中心尺寸
檢測值/mm	上支撐板：62.770（右），62.223（左）下支撐板：62.626（右），62.392（左）	左邊：63.750 右邊：64.800

對檢（jiǎn）測數據進行分析得知，支撐板端麵與連體端麵存在（zài）較大間隙。上支撐板左邊間（jiān）隙為1.53mm，右邊（biān）間隙為2.03mm；下支撐板左邊間隙為（wéi）1.36mm，右邊間隙為2.17mm。

若支撐板（bǎn）端麵與連接體止口（kǒu）端麵間隙過大，則在介質（zhì）力（lì）的作用下，支撐板（bǎn）會發（fā）生移動，將壓緊力傳遞到（dào）閥杆上，這樣會使（shǐ）閥杆承受很大的扭矩和剪切（qiē）力。實踐證明：支撐板端麵與連接體止口端麵之間間（jiān）隙在0.2～0.5mm時較為適宜。而此台閥門支撐板與連接體止口端麵的間隙遠遠超過0.5mm，在介質力的作用（yòng）下，閥杆會承受較大的（de）扭矩。