一起閥門斷裂事故的原因分析

【摘 要】本文分析了一起閥門斷裂事故的原因，同時提出了一些建議。

【關鍵詞】閥門；事故

0.前言

本市某茶廠一臺運行中的鍋爐分汽缸（出口至車間閥門）突然發生了閥蓋斷裂事故，造成人員受傷。事故發生后，作為一名鍋爐檢驗人員，筆者隨事故調查人員奔赴現場，進行了現場調查。本文通過事故現場勘察，閥門解體宏觀檢查，閥蓋斷口電競掃描，閥蓋取樣檢驗檢測，對事故閥門的閥蓋斷裂失效原因進行了詳細分析。

1.現場描述與分析

（1）鍋爐房內平行布置有鍋爐和分汽缸。斷裂閥門為分汽缸出口至生產車間的一柱塞閥。

（2）斷裂部位為閥蓋根部。此部位是應力集中部位。

（3）閥蓋斷裂后，斷裂后的閥蓋頂、手輪、閥桿與柱塞（后面稱之為飛出件）一起整體飛出，撞擊到鍋爐外壁后掉落在地。

（4）鍋爐外壁留下了撞痕，經痕跡比對，可判斷飛出件的撞擊部位為手輪的頂部。

（5）安全閥與壓力表在檢定有效期內，所以當時鍋爐應該沒有超壓運行。

2.事故原因分析

2.1閥門的材質的確定

經對閥蓋取樣進行碳硫分析，其碳、硫含量（質量分數）分別為：3.373%和0.0590%。又經能譜分析，修正因舍去碳硫而引起的誤差后得到其成分。從碳含量可以判斷它是鑄鐵，其成份中沒有其它特殊合金元素，故其不是合金鑄鐵。

參照《實用鑄鐵技術》[1] 34頁表1-15，本次事故閥門中的成分除磷外與HT100和HT150的成分符合性更好。但磷含量大大超出一般灰鑄鐵的含量范圍，它致少造成兩個后果：

（1）大大降低了組織的致密性，增加鑄造時疏松、縮孔等缺陷的產生，從而降低了鑄件的強度。

（2）增加了鑄件的脆性。

查《機械設計手冊》[2]第2篇第1章鋼鐵材料中的鑄鐵可知，HT100不適合做閥體，所以，認為此閥門的材質為HT150。

2.2閥蓋斷裂形式

閥蓋斷口經電鏡掃描，如圖1，可以斷定其為解理性脆性斷裂。

它的意義即是，在瞬間力的作用下（此力甚至可以小于材料的屈服強度 或者），試件從源裂紋瞬間撕裂。

2.3尋找源裂紋

從斷口的宏觀檢驗即可發現此源裂紋，仔細觀察斷口，不難發現，斷口內圈顏色與外圈顏色有明顯的區別。內圈顏色呈紅色，而外圈顏色呈灰色。這是因為，由于長期受到沖擊載荷以及應力集中等因素，閥蓋內壁在閥蓋未斷裂前就產生了裂紋，而且裂紋張口面已經被氧化產生了三氧化二鐵，故呈紅色；而斷口外圈，是在外力作用下瞬間被撕開的，是灰鑄鐵的新鮮斷口，呈灰色。

另外，再仔細觀察斷口，可以發現，斷口從內至外，形貌有細微的變化。斷口內圈，是呈紅色的平整一圈；緊挨著內圈的是呈灰色的、細小顆粒狀的一圈；而最外圈，是呈灰白色而較中間圈更為平整的一圈。這種形貌，正表征了閥蓋斷裂的過程。最內圈是斷裂前就存在的裂紋，在瞬間外力的作用下，裂紋有一定阻力地往外擴展，當擴展到了最外層時，阻力變得微弱，閥蓋崩潰式的裂斷。所以，源裂紋即是呈紅色的斷口內圈。

2.4尋找外力源

分析閥蓋的受力，它只受到閥桿和閥蓋法蘭對它的作用力。只兩個力為平衡力。而閥桿的受力除閥蓋外，來自于兩方面，一是手輪，二是柱塞。由于事故時，未使用助力扳手且開度也只處于中間的部位，所以，手輪對閥桿的力可以不計。所以閥桿的受力大小，取決于柱塞。

再對柱塞進行受力分析。在碰撞時刻，柱塞只受到兩個力，一是閥桿對它的力，二是可能存在的因汽壓波動而導致的撞擊。經過推導，閥桿受力大小取決于三個方面：柱塞對閥桿的沖擊、蒸汽對柱塞的靜壓力以及可能存在的因汽壓波動而導致的撞擊。

2.5此外力能使閥蓋承受多大的應力

2.5.1幾點假設

（1）閥蓋兩端為剛性，閥蓋筒體處于彈性狀態，閥蓋在沖擊過程沒有完成之前沒有斷裂且保持原物性參數。

（2）閥蓋與閥桿之間的作用與柱塞與閥桿的碰撞同時發生，力的傳導不需要時間。

（3）閥桿處于彈性狀態。

（4）不計及柱塞與密封面的磨擦。

（5）柱塞一開啟，流道內立刻充滿蒸汽，且蒸汽壓力為當時的工作壓力。

（6）不計沖擊時熱能損失。

2.5.2過程描述

當時蒸汽壓力為p，柱塞從A點以初速度為零的狀態由蒸汽推動往B點運動，到達B點時的速度是V，柱寒在B點沖擊閥桿，閥桿在彈性范圍內被壓縮，此時閥桿的壓縮量是△LOB，柱塞速度為零閥蓋在閥桿的作用下伸長，C點伸長到C*點，閥蓋的伸長量為△LCD。最后，B點移動到B*點，移動的距離為LBB*，柱塞速度為零。沖擊過程的沖擊力為Fd，它是一個變化的量，隨著閥桿的壓力縮增大而增大，在沖擊的最后達到最大值Fdmax 。

2.5.3經推導可得

由上述公式求解得σ閥蓋=149.33MPa。另查GB/T9439-2010《灰鑄鐵件》[3]附錄A表A.1，HT150的抗拉強度為150～250MPa，在149.33MPa的沖擊作用力下，在有源裂紋的情況下，完全有可能發生解理性脆性斷裂。而實際上，由于存在汽擊，加上斷裂部位為應力集中部位，其疊加沖擊力將遠遠大于149.33MPa，此種情況下，斷裂幾乎不可避免。

3.事故結論和建議

（1）閥蓋裂紋與閥門磨損是閥門斷裂的是主要因素，是事故的直接原因。

（2）閥門年久失修，沒能及時發現閥蓋裂紋和閥門磨損是事故的間接原因。

（3）廠方沒有建立相關的操作規程或操作細則存在管理上的漏洞。

（4）此閥門斷裂與操作方式沒有必然的關系。依據閥門的結構，只要閥門磨損到一定的程度，閥門斷裂是必然會發生的。

（5）目前還沒有明文規定須對此種小閥門有專門的操作規程。建議今后能夠建立盡量詳盡的操作規程。

【參考文獻】

[1]胡家驄.實用鑄鐵技術[M].遼寧：遼寧科學技術出版社，2008.

[2]聞邦椿.機械設計手冊[M].北京：機械工業出版社，2010.

[3]GB/T9439-2010，灰鑄鐵件[S]，2010.