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        1. 0577-67319663

          管线球阀杆断裂失效分析

          2021-01-15 0

          管线球阀是输油输气管线中不可缺少的控制介质元件。某单位使用的1台进口管线球阀,在项目现场发生了阀杆断裂事故,导致此台阀门无法正常使用,委托我公司进行维修。为了找到阀杆断裂的主要原因,特此进行了以下分析。

          阀杆断口位于O型圈槽与台阶的过渡处,断口面比较平整(见图1)。阀门经解体后发现:球面有明显的划痕,并且有多处坑窝(见图2);阀座上的O型圈已损坏,存在长约8mm左右的缺口。

          1.分析过程

          经解体后得知:此阀门结构为双向阀座密封固定式球阀,主要由阀体、左右连接体、阀杆、上下支撑板、球体、密封圈、执行机构等组成;密封副由阀座组件上的O型圈与球体球面构成;球体由上、下两个支撑板支撑,通过旋转执行机构带动阀杆转动,从而实现球体的90°旋转,并通过进、出口两端阀座与球体的密封,实现接通和截断介质的目的。

          这种结构形式的阀门特点是:阀门为筒状体、固定球结构,阀座采用双座双向自密封结构,同时有预紧弹簧,保证密封可靠和自动泄放中腔过高压力的功能;阀门内置有支撑板,球体通过上下支撑板固定于阀腔之中,大大减小阀杆的受力情况。当阀门在正常工作时,介质的密封力通过支撑板作用到连接体上,

          2.理化分析及无损检测

          (1)化学成分 在光谱分析仪进行了光谱分析,分析结果参见表1。 表1  阀杆材料化学成分(质量分数)  (%)


          CMoCrMnSiPS
          标准值0.28~0.330.15~0.250.8~1.100.4~0.60.15~0.35≤0.035≤0.040
          检测值0.3030.170.920.480.170.0180.011

          从以上分析数据可以得知:阀杆的材质符合ASTM A322对4130材料的要求。
          (2)力学性能试验
          断裂阀杆加工成拉伸试样,在WE-60型万能材料试验机进行拉伸试验,试验结果见表2。 表2  阀杆材料力学性能试验数据


          抗拉强度σb/MPa屈服强度σS/MPa伸长率A(%)
          标准要求≥1145≥1110≥26
          试验值6604659

          从以上试验数据可以得知:阀杆的力学性能是不达标的。为了探究力学性能偏低的原因,特此进行了微观组织分析。
          (3)微观组织分析
          取样部位为阀杆断裂面,金相观察纵截面金相组织为珠光体与铁素体(见图4),而且呈连续带状分布,带状组织达到5级(按GB/T13299-1991 C系列评级标准)。组织中铁素体晶界清晰可见,珠光体带宽窄不一,见图5。

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          从图4明显看出:铁素体和珠光体呈带状交替分布,呈现出较为明显的带状组织,内部组织极不均匀。低合金钢经调质处理后,内部应分布较为均匀的回火索氏体组织。图5为试样经合理热处理工艺进行调质处理的金相组织。

          (4)表面硬度检测

          阀杆在HB-3000型布氏硬度试验机上检测硬度,其表面硬度190~207HBW,明显偏低。

          (5)无损检测

          分别对断裂阀杆按JB/T4730-2005的规定进行了磁粉和超声波探伤检验,结果显示:表面及内部无超标缺陷。

          3.扭矩及零件尺寸检测

          (1)扭矩检测

          重新加工阀杆并组装后,对事故阀门进行了扭矩测试,试验结果见表3。

          表3  阀门扭矩测试数据


          单面进压,检测阀门执行机构输出轴的扭矩
          压力P/MPa0.51.01.83.04.05.06.3
          扭矩T/N·m4080100140170250300

          从以上数据得知:阀门的启闭扭矩是随着压力的增加而不断增大的,当压力达到公称压力时,阀门的启闭扭矩为300N·m,折算到阀杆上的扭矩值为2704N·m。经计算,设计扭矩应为270N·m左右,实际操作扭矩远大于设计扭矩。为了进一步找到扭矩剧增的其他原因,特此对此阀门的关键零件进行了尺寸检测。

          (2)零件尺寸检测

          阀门解体后,用三坐标测量仪分别对支撑板、阀体与连接体组件等关键零部件进行了尺寸检测,检测数据见表4。

          表4  阀门关键零部件尺寸检测数据

          检测部位支撑板两端面到轴孔中心尺寸阀体止口端面至阀体轴孔中心尺寸
          检测值/mm上支撑板:62.770(右),62.223(左) 下支撑板:62.626(右),62.392(左)左边:63.750 右边:64.800

          对检测数据进行分析得知,支撑板端面与连体端面存在较大间隙。上支撑板左边间隙为1.53mm,右边间隙为2.03mm;下支撑板左边间隙为1.36mm,右边间隙为2.17mm。

          若支撑板端面与连接体止口端面间隙过大,则在介质力的作用下,支撑板会发生移动,将压紧力传递到阀杆上,这样会使阀杆承受很大的扭矩和剪切力。实践证明:支撑板端面与连接体止口端面之间间隙在0.2~0.5mm时较为适宜。而此台阀门支撑板与连接体止口端面的间隙远远超过0.5mm,在介质力的作用下,阀杆会承受较大的扭矩。

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