鈦材截止閥閥桿斷裂失效分析

張二龍，殷瑩，楊永良

鈦材截止閥是化工管路中的重要元件，在管路中起截斷或?qū)黧w介質(zhì)的作用。某化工廠鈦材截止閥在使用過程中出現(xiàn)閥桿斷裂，導(dǎo)致此閥門無法正常使用，為此該化工廠特委托我公司對該閥門進(jìn)行維修。為了找到閥桿斷裂的主要原因，進(jìn)行了以下分析。

1.主要技術(shù)參數(shù)

公稱通徑為DN200，工作壓力為1.0MPa，工作溫度為120℃，工作介質(zhì)為燒堿溶液，閥體材質(zhì)為ZTA2，閥桿材質(zhì)為TC4。

2.斷口宏觀分析

斷裂位置如圖1所示。閥桿斷口宏觀照片如圖2所示，閥桿斷裂位置在連接閥瓣的接觸面處。在垂直于斷口的閥桿外表面，斷口齊平，表面光亮，有脆性斷裂的痕跡。在垂直于斷口的閥桿心部，斷口呈暗灰色，局部有塑性變形的痕跡。

3.材質(zhì)分析

圖1 閥桿斷裂位置示意

在閥桿斷口處附近取樣，對閥桿的化學(xué)成分、力學(xué)性能、金相組織檢測并在掃描電子顯微鏡下進(jìn)行測試分析。

（1）化學(xué)成分 閥桿的化學(xué)成分分析結(jié)果見表1，可見閥桿的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

圖2 閥桿斷口宏觀照片

（2）力學(xué)性能 閥桿的力學(xué)性能分析結(jié)果見表2。由表2可見，Rm、Rp0.2均高于標(biāo)準(zhǔn)值，而A、Z均低于標(biāo)準(zhǔn)值。

（3）金相分析 金相試樣是從閥桿斷口處附近取樣，用氫氟酸、硝酸侵蝕，在NEOPHOT21型顯微鏡下觀察分析，分析結(jié)果如圖3所示，評定結(jié)果為α+β型鈦，組織稍有帶狀傾向。

（4）掃描電子顯微鏡分析 在斷裂閥桿上沿裂紋取一斷口，將其置于掃描電子顯微鏡下進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖4～圖7所示。圖4為靠近工件表面斷口低倍形貌，右側(cè)為工件表面，可以清楚地看到該處的斷口為沿晶斷裂，說明在熱處理過程中有氫元素滲入，以致產(chǎn)生氫脆。在該照片中間會看到有一帶狀分布的非金屬夾雜物。圖5為夾雜物的放大照片。用能譜儀對該夾雜物進(jìn)行成分分析，發(fā)現(xiàn)含氧（SiO2）、鋁（Al2O3）、釔（Y）。圖6、圖7為靠近心部的斷口放大照片，但依然可清楚地看到基體中含有非金屬夾雜物，斷口可見韌窩，斷口為延性斷裂。

4.分析與討論

從閥桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計上來看，大小直徑之間未做圓角過渡處理，產(chǎn)生了應(yīng)力集中。從閥桿材質(zhì)的分析來看，閥桿材質(zhì)中有夾雜物，純凈度差。從閥桿的力學(xué)性能分析來看，閥桿的塑性指標(biāo)遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求，從而進(jìn)一步降低了閥桿的承載能力。從斷口分析來看，閥桿就是在應(yīng)力集中效應(yīng)和沖擊載荷共同作用下，首先閥桿靠近外表面處發(fā)生了沿晶斷裂，其次心部發(fā)生了延性斷裂。

5.結(jié)語

改進(jìn)閥桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計，對大小直徑相交處應(yīng)做圓角過渡處理，以減小應(yīng)力集中。對閥桿的熱處理工藝方法進(jìn)行改進(jìn)，采用在真空或惰性氣體保護(hù)下滲氮，以減少氫的滲入。對閥桿材料進(jìn)行嚴(yán)格檢驗，確保閥桿的材質(zhì)符合技術(shù)要求。

圖3

表1 TC4的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 TC4的力學(xué)性能試驗結(jié)果

圖4

圖5

圖6

圖7