管線球閥是輸油輸氣管線中不可缺少的控制介質(zhì)元件。某單位使用的1臺(tái)進(jìn)口管線球閥，在項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生了閥桿斷裂事故，導(dǎo)致此臺(tái)閥門無法正常使用，委托我公司進(jìn)行維修。為了找到閥桿斷裂的主要原因，特此進(jìn)行了以下分析。
閥桿斷口位于O型圈槽與臺(tái)階的過渡處，斷口面比較平整（見圖1）。閥門經(jīng)解體后發(fā)現(xiàn)：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(jīng)解體后得知：此閥門結(jié)構(gòu)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(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成；密封副由閥座組件上的O型圈與球體球面構(gòu)成；球體由上、下兩個(gè)支撐板支撐，通過旋轉(zhuǎn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶動(dòng)閥桿轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)球體的90°旋轉(zhuǎn)，并通過進(jìn)、出口兩端閥座與球體的密封，實(shí)現(xiàn)接通和截?cái)嘟橘|(zhì)的目的。
這種結(jié)構(gòu)形式的閥門特點(diǎn)是：閥門為筒狀體、固定球結(jié)構(gòu)，閥座采用雙座雙向自密封結(jié)構(gòu)，同時(shí)有預(yù)緊彈簧，保證密封可靠和自動(dòng)泄放中腔過高壓力的功能；閥門內(nèi)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(dāng)閥門在正常工作時(shí)，介質(zhì)的密封力通過支撐板作用到連接體上，使得閥桿承受扭矩很小。
2.理化分析及無損檢測(cè)
（1）化學(xué)成分
在光譜分析儀進(jìn)行了光譜分析，分析結(jié)果參見表1。
表1 閥桿材料化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）
|
|
C |
Mo |
Cr |
Mn |
Si |
P |
S |
|
標(biāo)準(zhǔn)值 |
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(cè)值 |
0.303 |
0.17 |
0.92 |
0.48 |
0.17 |
0.018 |
0.011 |
從以上分析數(shù)據(jù)可以得知：閥桿的材質(zhì)符合ASTM A322對(duì)4130材料的要求。
（2）力學(xué)性能試驗(yàn)
斷裂閥桿加工成拉伸試樣，在WE-60型萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。
表2 閥桿材料力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)
|
|
抗拉強(qiáng)度σb/MPa |
屈服強(qiáng)度σS/MPa |
伸長率A（%） |
|
標(biāo)準(zhǔn)要求 |
≥1145 |
≥1110 |
≥26 |
|
試驗(yàn)值 |
660 |
465 |
9 |
從以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得知：閥桿的力學(xué)性能是不達(dá)標(biāo)的。為了探究力學(xué)性能偏低的原因，特此進(jìn)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(xù)帶狀分布，帶狀組織達(dá)到5級(jí)（按GB/T13299-1991 C系列評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)）。組織中鐵素體晶界清晰可見，珠光體帶寬窄不一，見圖5。
從圖4明顯看出：鐵素體和珠光體呈帶狀交替分布，呈現(xiàn)出較為明顯的帶狀組織，內(nèi)部組織極不均勻。低合金鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，內(nèi)部應(yīng)分布較為均勻的回火索氏體組織。圖5為試樣經(jīng)合理熱處理工藝進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理的金相組織。
（4）表面硬度檢測(cè)
閥桿在HB-3000型布氏硬度試驗(yàn)機(jī)上檢測(cè)硬度，其表面硬度190～207HBW，明顯偏低。
（5）無損檢測(cè)
分別對(duì)斷裂閥桿按JB/T4730-2005的規(guī)定進(jìn)行了磁粉和超聲波探傷檢驗(yàn)，結(jié)果顯示：表面及內(nèi)部無超標(biāo)缺陷。
3.扭矩及零件尺寸檢測(cè)
（1）扭矩檢測(cè)
重新加工閥桿并組裝后，對(duì)事故閥門進(jìn)行了扭矩測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果見表3。
表3 閥門扭矩測(cè)試數(shù)據(jù)
|
|
單面進(jìn)壓，檢測(cè)閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)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T/N·m |
40 |
80 |
100 |
140 |
170 |
250 |
300 |
從以上數(shù)據(jù)得知：閥門的啟閉扭矩是隨著壓力的增加而不斷增大的，當(dāng)壓力達(dá)到公稱壓力時(shí)，閥門的啟閉扭矩為300N·m，折算到閥桿上的扭矩值為2704N·m。經(jīng)計(jì)算，設(shè)計(jì)扭矩應(yīng)為270N·m左右，實(shí)際操作扭矩遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)扭矩。為了進(jìn)一步找到扭矩劇增的其他原因，特此對(duì)此閥門的關(guān)鍵零件進(jìn)行了尺寸檢測(cè)。
（2）零件尺寸檢測(cè)
閥門解體后，用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x分別對(duì)支撐板、閥體與連接體組件等關(guān)鍵零部件進(jìn)行了尺寸檢測(cè)，檢測(cè)數(shù)據(jù)見表4。
表4 閥門關(guān)鍵零部件尺寸檢測(cè)數(shù)據(jù)
|
檢測(cè)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(cè)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(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)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(zhì)力的作用下，支撐板會(huì)發(fā)生移動(dòng)，將壓緊力傳遞到閥桿上，這樣會(huì)使閥桿承受很大的扭矩和剪切力。實(shí)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(shí)較為適宜。而此臺(tái)閥門支撐板與連接體止口端面的間隙遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過0.5mm，在介質(zhì)力的作用下，閥桿會(huì)承受較大的扭矩。
4.結(jié)語
造成此臺(tái)管線球閥閥桿斷裂的主要原因有：支撐板端面與連接體止口端面之間存在過大的間隙，尺寸超差；閥桿材料的熱處理工藝不當(dāng)，導(dǎo)致閥桿的強(qiáng)度、硬度均低于標(biāo)準(zhǔn)值。
