分水器破裂原因分析

李梅　尚燦　鄧欽球　周升升

摘 要：采用外觀觀察、尺寸測量、金相檢驗、靜液壓強度、有限元受力狀態分析、低溫結冰試驗、微觀形貌觀察以及能譜分析等方法對分水器破裂進行了分析。結果表明，分水器絲堵破裂和尺寸結構不符合相關標準要求有關，當遇到寒冷天氣時，分水器內部水結冰，體積膨脹，承載能力大幅降低，從而導致分水器破裂。

關鍵詞：絲堵；結冰；破裂

中圖分類號：TG146.1 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）10-0082-03

鉛黃銅因具有優良切削性能、耐磨性能且成本低廉而廣泛應用于各類絲堵中。絲堵在使用過程中，會受到內應力和工作應力的共同作用，一旦開裂失效會造成漏水事故的發生，產生嚴重后果。秦文玲等人[1]發現絲堵裂紋與加工過程質量控制不當有關。鮮寧等人[2]研究發現，絲堵斷裂與硫化物應力腐蝕有關，其主要原因是材料硬度和密封結構不合理。某型號地暖分水器在使用過程中發生絲堵開裂，造成漏水事故。為了探明該分水器絲堵開裂的原因，本文對其進行失效分析。

1 試驗材料與方法

試驗樣品為分水器（含開裂絲堵）和未開裂絲堵，分別為1#和2#，如圖1所示。采用LEICA S8APO體視顯微鏡對開裂絲堵進行宏觀檢查，對2#進行尺寸測量。OLYMPUS BX51M光學顯微鏡對開裂絲堵進行金相組織。對未開裂絲堵進行靜液壓強試驗和低溫結冰試驗。對開裂絲堵和標準絲堵結構進行有限元分析。開裂絲堵和為開裂絲堵形貌觀察和能譜分析在HITACHI S-4800掃描電子顯微鏡上進行。

2 試驗結果

2.1 外觀檢查與尺寸測量

對1#樣品絲堵進行檢查，發現絲堵在平面上存在Ⅰ、Ⅱ兩處連續開裂，裂紋分別沿絲堵內圈和沿絲堵六角根部延伸，如圖2所示。

對2#樣品尺寸進行測量并畫出結構示意圖，如圖3所示，測量結果如表1所示。絲堵尺寸S、L2均小于CJ/T 251-2007《銅分集水器》的要求，六角結構與該標準要求八角結構不符。

2.2 金相檢測

對1#絲堵進行金相檢驗，結果如圖4所示，發現絲堵組織為α+β相組織，組織均勻，游離鉛相細小且分布均勻，未發現絲堵存在氣孔、夾雜等鑄造缺陷。

2.3 靜液壓強度試驗

將2#樣品安裝至1#樣品分水器主體并進行靜液壓強度試驗，對分水器施加2.4MPa壓力，保壓2min，結果未發現絲堵存在有影響正常使用的殘余變形。

2.4 有限元受力狀態分析

為了驗證壓力對平面絲堵尺寸結構和標準平面絲堵結構的影響，對斷裂平面絲堵和標準平面絲堵進行有限元受力狀態分析，在施加2.4MPa壓力的條件下，涉案平面絲堵在六角根部和絲堵內圈根部存在較大應力，應力值可達309.05MPa，高于標準平面絲堵八角中心位置最大應力值40.186Mpa，如圖5所示。

2.5 低溫結冰試驗

將2#樣品安裝至1#樣品分水器主體，對分水器內部注水并對其進行密封并放入溫度零攝氏度以下的環境中結冰處理，結果發現2#樣品在平面處發生變形及連續開裂，裂紋分別沿絲堵內圈和沿絲堵六角根部延伸，如圖6所示。

2.6 掃描電鏡與能譜分析

對1#樣品絲堵斷口和經低溫冷凍處理后的2#樣品斷口微觀形貌進行檢查，發現斷口表面均含有大量韌窩，如圖7所示。對1#樣品絲堵基體及表面、2#樣品基體及表面進行能譜分析，如圖8所示，結果發現1#樣品絲堵基體與2#樣品基體主要元素均為銅（Cu）、鋅（Zn）、鉛（Pb）等元素；1#樣品絲堵表面與2#樣品表面主要元素均為鎳（Ni）。

3 分析與討論

由外觀檢查與尺寸測量可知，絲堵在平面上存在Ⅰ、Ⅱ兩處連續開裂，裂紋分別沿絲堵內圈和沿絲堵六角根部延伸。絲堵尺寸S、L2均小于CJ/T 251-2007《銅分集水器》的要求，六角結構與該標準要求八角結構不符。由金相顯微組織檢查可知，斷裂絲堵組織均勻，游離鉛相細小且分布均勻，未發現絲堵存在氣孔、夾雜等鑄造缺陷。

由靜液壓強度試驗可知，未開裂絲堵2#可耐受2.4MPa壓力，保壓2min的試驗條件，無影響正常使用的殘余變形，無開裂。經有限元受力狀態分析可知，平面絲堵在六角根部和絲堵內圈根部為應力集中處，平面絲堵較標準平面絲堵出現開裂的可能性高。通過低溫結冰試驗可知，分水器內部充滿水在低溫環境下結冰時，絲堵在平面處發生變形及連續開裂，裂紋分別沿絲堵內圈和絲堵六角根部延伸。

由掃描電鏡與能譜分析可知，1#樣品絲堵基體與2#樣品基體主要元素均為銅（Cu）、鋅（Zn）、鉛（Pb）等元素；1#樣品絲堵表面與2#樣品表面主要元素均為鎳（Ni），因此結構及表面成份與絲堵斷裂沒有關系。

通過上述分析，分水器絲堵尺寸結構不符合相關標準要求，導致其承載能力大幅降低，當遇到寒冷天氣時，分水器內部水結冰，體積膨脹，從而導致分水器破裂。

4 結語

分水器絲堵破裂和尺寸結構不符合相關標準要求有關，當遇到寒冷天氣時，分水器內部水結冰，體積膨脹，承載能力大幅降低，從而導致分水器破裂。

參考文獻

[1]秦文玲.高壓空冷器Incloy825絲堵產生裂紋分析[J].機電技術，2012，（06）：59-60.

[2]鮮寧，王秦晉，吳知謙，等.酸性氣田增壓系統空冷機管束箱絲堵斷裂失效原因[J].天然氣與石油，2009，（4）：16-18.