球閥閥桿斷裂失效分析

西安泵閥總廠有限公司（陜西 710025）邵宏智 楊永良 康永圣

管線球閥是輸油輸氣管線中不可缺少的控制介質元件。某單位使用的一臺進口管線球閥，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形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形圈已損壞，存在長約8mm的缺口（見圖3）。

圖1 閥桿斷口形貌

圖2 球體損傷部位

圖3 閥座組件

1.過程分析

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形圈與球體球面構成；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腔中過高壓力的功能；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，使得閥桿承受扭矩很小。

2.理化分析及無損檢測

（1）化學成分 用光譜分析儀進行光譜分析，結果參見表1。

表1 閥桿材料化學成分（質量分數） （%）

從以上數據分析可以得知：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型萬能材料試驗機上進行拉伸試驗，試驗結果見表2。

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。

表2 閥桿材料力學性能試驗數據

（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。

圖4 閥桿截面金相組織 100×

圖5 淬火+回火后試件金相形貌 500×

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無損檢測，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，結果見表3。

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。

表3 閥門扭矩測試數據

（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尺寸檢測，數據見表4。

表4 閥門關鍵零部件尺寸檢測數據

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為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超過0.5mm，在介質力的作用下，閥桿會承受較大的扭矩。

4.結語

造成此臺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，導致閥桿的強度、硬度均低于標準值。