某截止閥開裂原因分析

邱康勇, 吳繼權, 賀 艷

(深圳市特種設備安全檢驗研究院， 深圳 518029)

截止閥是一種強制密封式閥門，又稱截門閥。當截止閥關閉時，需要向閥瓣施加壓力，以確保密封面不泄漏。截止閥可用于控制空氣、水、蒸汽、腐蝕性介質、泥漿、油品和液態金屬等各類流體的流動。某公司液化石油氣儲罐管路用截止閥在進行水壓試驗時發生開裂導致泄漏，該截止閥為日本進口閥門，由截止閥表面標識可知,材料為FCD-S球墨鑄鐵，公稱壓力為PN20(2.0 MPa)，公稱直徑為DN80 mm，使用時間約為10 a(年)，使用壓力為1.0 MPa(最高不超過1.4 MPa)，使用溫度為常溫。在設備檢修時操作人員對該截止閥進行水壓試驗,先關閉閥門，讓水介質從閥門進口進入，逐步升壓到2.2 MPa后保壓10 min，之后降壓到2.0 MPa后保壓10 min，當繼續降到1.8 MPa后保壓時，發現該截止閥閥體與法蘭連接處有水跡，閥門發生泄漏。水壓試驗持續時間為1 h。為查明該截止閥開裂的原因，筆者對其進行了理化檢驗與分析。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀查

宏觀觀查發現，該截止閥表面白色油漆局部脫落。油漆脫落部位的底層可見銀色防銹漆。截止閥開裂處位于截止閥進口側法蘭以及法蘭與閥體的連接處，如圖1a)和圖1b)所示。在裂紋附近閥體局部表層白色油漆和里層防銹漆發生脫落后出現銹跡，法蘭局部區域同樣也有表層白色油漆和里層防銹漆脫落并出現銹跡。法蘭與閥體的連接處外裂紋長度約占整個圓弧面的80%，裂紋為深棕色，呈陳舊裂口形貌[1]，閥體宏觀未見明顯變形。由圖1c)可見，法蘭3個螺栓孔處存在明顯裂紋， 6個螺栓孔均出現不同程度的銹蝕，半邊法蘭出現變形，法蘭與閥體的連接處(截止閥進口端內壁靠近邊沿處)可見一條細小的裂紋，法蘭與閥體的連接處內裂紋長度約占整個圓弧面的1/3,法蘭內壁局部存在大小不一的凹坑。

將截止閥法蘭面對半切開。由圖1d)可見，裂紋已貫穿整個橫截面，為穿透性裂紋。由圖1e)可見，橫截面處裂紋由外向里擴展，未形成穿透性裂紋。沿穿透性裂紋將斷口打開，如圖1f)所示。可見該斷口顏色分層，外層呈深棕色，內層呈暗黑色。

圖1 失效截止閥的宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of failure cut off valve: a) crack at flange; b) external crack at the joint of flange and valve body; c) internal crack at the joint of flange and valve body; d) penetrating crack; e) nonpenetrating crack; f) open fracture along penetrating crack

1.2 金相檢驗

在截止閥的閥體與法蘭連接處截取橫截面試樣，試樣經鑲嵌、打磨及拋光后，采用Axio Scope.A1型光學顯微鏡觀察閥體、法蘭以及裂紋處的顯微組織。由圖2可見，閥體、法蘭的顯微組織中有黑色片狀石墨，無明顯縮孔等缺陷[2]，閥體、法蘭以及裂紋兩邊的顯微組織無明顯差異。根據GB/T 7216—2009《灰鑄鐵金相檢驗》，可知上述顯微組織中石墨均呈C型分布，石墨長度為2～3級。

采用體積分數為4%的硝酸酒精溶液對上述試樣浸蝕后，采用Axio Scope.A1型光學顯微鏡進一步觀察閥體、法蘭以及裂紋處的顯微組織。由圖3可見，閥體和法蘭的顯微組織為鐵素體+片狀石墨+少量珠光體[3]，裂紋兩邊的顯微組織無明顯差異，未發現明顯的焊縫組織，閥門為整體鑄造成型。根據GB/T 7216—2009，可知珠光體含量小于45%，珠光體級別為8級。

1.3 硬度測試

在截止閥的閥體和法蘭上沿內壁到外壁的方向取5個試樣，試樣經打磨、拋光后，采用NEXUS 3200型布氏硬度計進行布氏硬度試驗，結果如表1所示。可見閥體與法蘭的硬度差異較小。

表1 截止閥不同部位的硬度測試結果Tab.1 Hardness test results of different parts of cut off valve HBW2.5/187.5

1.4 斷口分析

在穿透性裂紋打開的斷口處取樣，采用SU-1500型掃描電鏡(SEM)進行觀察。由圖4a)可見，斷口表面有大量覆蓋物。采用掃描電鏡附帶的能譜儀(EDS)對該覆蓋物進行微區成分分析，分析位置和分析結果如圖4所示。可見斷口覆蓋物主要為鐵的氧化物，未見明顯的腐蝕性元素。將上述斷口進行清洗和干燥后取樣，采用SU-1500型掃描電鏡觀察試樣的微觀形貌。由圖5可見，斷口裂紋源區呈解理形貌。由圖6可見，斷口最后斷裂區呈扇形解理形貌[4]。

圖2 截止閥不同部位浸蝕前的顯微組織Fig.2 Microstructure of different parts of cut off valve before erosion:a) valve body; b) flange; c) crack 1; d) crack 2

圖3 截止閥不同部位浸蝕后的顯微組織Fig.3 Microstructure of different parts of cut off valve after erosion:a) valve body; b) flange; c) crack 1; d) crack 2

圖4 斷口SEM形貌、EDS分析位置及EDS分析結果Fig.4 a) SEM morphology, EDS analysis position and b) EDS analysis results of fracture

圖5 斷口裂紋源區的SEM形貌Fig.5 SEM morphology of fracture initiation area

圖6 斷口最后斷裂區的SEM形貌Fig.6 SEM morphology of final fracture area of fracture

2 分析與討論

由宏觀觀查結果可知，截止閥斷口顏色分層，外層呈深棕色，內層呈暗黑色，這表明截止閥裂紋不是一次形成的，結合法蘭橫截面的宏觀形貌可知，裂紋是由外向內擴展的。

由金相檢驗結果可知，法蘭和閥體的顯微組織為灰鑄鐵組織形貌，且石墨呈C型分布，石墨長度為2～3級。石墨形態對鑄鐵的力學性能有很大的影響，該截止閥顯微組織中石墨呈C型分布且長度較長，導致材料的力學性能顯著下降。法蘭和閥體基體的顯微組織為鐵素體，只有少量珠光體沿著條狀石墨邊沿分布，這造成材料的韌性下降[5]。截止閥材料為灰鑄鐵，這與閥門表面球墨鑄鐵的標識不符。

JB/T 5300—2008《工業用閥門材料 選用導則》關于灰鑄鐵制閥門有如下規定：用于公稱壓力不大于PN16(1.6 MPa)，溫度為-10～100 ℃的油類、一般性質的液體介質；用于公稱壓力不大于PN10(1.0 MPa)，溫度為-10～200 ℃的蒸汽、一般性質氣體、煤氣、氨氣等介質。由于失效截止閥使用介質為液化石油氣，日常使用壓力約為1 MPa(最高不超過1.4 MPa)，且閥門的公稱壓力為PN20(2.0 MPa)，所以灰鑄鐵截止閥不適合用于該液化石油氣管路。

此外，閥體與法蘭的顯微組織無明顯差異，同時兩者之間未見焊縫組織，由此可推斷該截止閥為整體鑄造成型，法蘭與閥體之間無焊接。由硬度測試結果可知，閥體和法蘭的硬度基本一致，與金相檢驗結果一致。

由斷口分析結果可知，斷口上有一層覆蓋物，該覆蓋物主要為鐵的氧化物，未見明顯的腐蝕性元素，由此可推斷截止閥斷口以氧腐蝕為主。截止閥開裂于閥體與法蘭連接處，該區域為應力集中區域。裂紋源區以解理形貌為主，最后斷裂區為扇形解理形貌，這表明腐蝕是在截止閥開裂之后發生的，與閥門開裂無直接關系。裂紋在閥體與法蘭連接處應力集中位置萌生，并由外向內擴展，最終在較大的應力作用下發生穿透性開裂。

3 結論及建議

截止閥的法蘭和閥體材料為灰鑄鐵，與閥門表面標識不符。灰鑄鐵中石墨呈C型分布，且石墨長度較長，造成材料的力學性能較差；同時截止閥基體組織為鐵素體，只有少量的珠光體沿著條狀石墨邊沿分布，造成材料的韌性下降。裂紋在閥體與法蘭連接部位的應力集中處萌生，并由外向內擴展，最終在較大應力作用下形成穿透性開裂，造成閥門泄漏。

建議對同批次、同型號的閥門進行排查和更換，截止閥在投入使用前要加強質量檢驗，防止引發泄漏事故。