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                    0577-67319663

                    管線球閥桿斷裂失效分析

                    2021-01-15 0

                    管線球閥是輸油輸氣管線中不可缺少的控制介質元件。某單位使用的1臺進口管線球閥,在項目現場發生了閥桿斷裂事故,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型圈槽與臺階的過渡處,斷口面比較平整(見圖1)。閥門經解體后發現:球面有明顯的劃痕,并且有多處坑窩(見圖2);閥座上的O型圈已損壞,存在長約8mm左右的缺口。

                    1.分析過程

                    經解體后得知:此閥門結構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、執行機構等組成;密封副由閥座組件上的O型圈與球體球面構成;球體由上、下兩個支撐板支撐,通過旋轉執行機構帶動閥桿轉動,從而實現球體的90°旋轉,并通過進、出口兩端閥座與球體的密封,實現接通和截斷介質的目的。

                    這種結構形式的閥門特點是:閥門為筒狀體、固定球結構,閥座采用雙座雙向自密封結構,同時有預緊彈簧,保證密封可靠和自動泄放中腔過高壓力的功能;閥門內置有支撐板,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,介質的密封力通過支撐板作用到連接體上,

                    2.理化分析及無損檢測

                    (1)化學成分 在光譜分析儀進行了光譜分析,分析結果參見表1。 表1  閥桿材料化學成分(質量分數)  (%)


                    CMoCrMnSiPS
                    標準值0.28~0.330.15~0.250.8~1.100.4~0.60.15~0.35≤0.035≤0.040
                    檢測值0.3030.170.920.480.170.0180.011

                    從以上分析數據可以得知:閥桿的材質符合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型萬能材料試驗機進行拉伸試驗,試驗結果見表2。 表2  閥桿材料力學性能試驗數據


                    抗拉強度σb/MPa屈服強度σS/MPa伸長率A(%)
                    標準要求≥1145≥1110≥26
                    試驗值6604659

                    從以上試驗數據可以得知: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。
                    (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。

                    news-20200810-2.jpg

                    從圖4明顯看出:鐵素體和珠光體呈帶狀交替分布,呈現出較為明顯的帶狀組織,內部組織極不均勻。低合金鋼經調質處理后,內部應分布較為均勻的回火索氏體組織。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的規定進行了磁粉和超聲波探傷檢驗,結果顯示:表面及內部無超標缺陷。

                    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,試驗結果見表3。

                    表3  閥門扭矩測試數據


                    單面進壓,檢測閥門執行機構輸出軸的扭矩
                    壓力P/MPa0.51.01.83.04.05.06.3
                    扭矩T/N·m4080100140170250300

                    從以上數據得知: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。經計算,設計扭矩應為270N·m左右,實際操作扭矩遠大于設計扭矩。為了進一步找到扭矩劇增的其他原因,特此對此閥門的關鍵零件進行了尺寸檢測。

                    (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鍵零部件進行了尺寸檢測,檢測數據見表4。

                    表4  閥門關鍵零部件尺寸檢測數據

                    檢測部位支撐板兩端面到軸孔中心尺寸閥體止口端面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

                    對檢測數據進行分析得知,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,則在介質力的作用下,支撐板會發生移動,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在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遠超過0.5mm,在介質力的作用下,閥桿會承受較大的扭矩。

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