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(fa)正常(chang)使用,委托(tuo)我公(gong)司(si)進行維(wei)修。為了找到閥桿斷裂的主要(yao)原因,特(te)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(ti)后發(fa)現:球(qiu)面(mian)有明(ming)顯的劃痕(hen),并(bing)且有多(duo)處坑窩(見圖(tu)(tu)2);閥座上(shang)的O形(xing)圈已損壞,存在長約8mm的缺口(kou)(見圖(tu)(tu)3)。
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圖1 閥桿斷口形貌
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圖2 球體損傷部位
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圖3 閥座組件
1.過程分析
經(jing)解體(ti)(ti)后(hou)得知(zhi):此(ci)閥(fa)(fa)門結(jie)構(gou)為(wei)雙向閥(fa)(fa)座(zuo)密封(feng)(feng)(feng)固(gu)定式(shi)球(qiu)閥(fa)(fa),主要(yao)由閥(fa)(fa)體(ti)(ti)、左右連(lian)接(jie)體(ti)(ti)、閥(fa)(fa)桿、上下(xia)(xia)支撐板(ban)、球(qiu)體(ti)(ti)、密封(feng)(feng)(feng)圈(quan)(quan)、執行機(ji)構(gou)等組成;密封(feng)(feng)(feng)副(fu)由閥(fa)(fa)座(zuo)組件上的(de)O形圈(quan)(quan)與(yu)球(qiu)體(ti)(ti)球(qiu)面構(gou)成;球(qiu)體(ti)(ti)由上下(xia)(xia)兩個支撐板(ban)支撐,通(tong)過(guo)旋轉(zhuan)執行機(ji)構(gou)帶動(dong)閥(fa)(fa)桿轉(zhuan)動(dong),從(cong)而(er)實現球(qiu)體(ti)(ti)的(de)90°旋轉(zhuan),并通(tong)過(guo)進出(chu)口兩端閥(fa)(fa)座(zuo)與(yu)球(qiu)體(ti)(ti)的(de)密封(feng)(feng)(feng),實現接(jie)通(tong)和截斷介質的(de)目的(de)。
這種結(jie)構形式的閥(fa)(fa)(fa)門(men)特點是:閥(fa)(fa)(fa)門(men)為筒狀體(ti)(ti)、固定球結(jie)構,閥(fa)(fa)(fa)座采用雙座雙向自密封(feng)結(jie)構,同(tong)時有(you)預(yu)緊彈簧(huang),保證密封(feng)可靠和自動泄放(fang)腔中過(guo)高壓力(li)(li)的功(gong)能;閥(fa)(fa)(fa)門(men)內(nei)置有(you)支撐板,球體(ti)(ti)通過(guo)上下支撐板固定于閥(fa)(fa)(fa)腔之中,大(da)大(da)減(jian)小(xiao)閥(fa)(fa)(fa)桿(gan)的受力(li)(li)情況。當閥(fa)(fa)(fa)門(men)在正常工作時,介質(zhi)的密封(feng)力(li)(li)通過(guo)支撐板作用到連接體(ti)(ti)上,使得閥(fa)(fa)(fa)桿(gan)承受扭矩很小(xiao)。
2.理化分析及無損檢測
(1)化學成分用光(guang)譜分析儀進行光(guang)譜分析,結(jie)果(guo)參(can)見表1。
表1 閥桿材(cai)料化學成分(質量分數(shu)) (%)
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從(cong)以上數據分析可以得知:閥桿的(de)材質符合ASTMA322對4130材料的(de)要求(qiu)。
(2)力學性能試(shi)驗(yan)斷裂閥(fa)桿加(jia)工成拉伸試(shi)樣,在WE—60型(xing)萬能材料試(shi)驗(yan)機上進(jin)行拉伸試(shi)驗(yan),試(shi)驗(yan)結果見表(biao)2。
表2 閥桿材料力學性能試驗數據
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從以上試(shi)驗數據可以得知:閥桿的(de)力學(xue)性(xing)能是不達標的(de)。為了探究力學(xue)性(xing)能偏(pian)低的(de)原因,特(te)此進行了微觀組織分析。
(3)微觀組織(zhi)分析取樣部位為閥桿斷(duan)裂面,金(jin)相觀察(cha)縱截面金(jin)相組織(zhi)為珠(zhu)光體與鐵素體(見圖4),而且呈連續帶(dai)狀(zhuang)分布,帶(dai)狀(zhuang)組織(zhi)達到5級(ji)(按GB/T13299—1991C系列(lie)評級(ji)標準)。組織(zhi)中鐵素體晶界(jie)清(qing)晰可(ke)見,珠(zhu)光體帶(dai)寬窄不一,見圖5。
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圖(tu)4 閥桿截面金(jin)相組(zu)織100×
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圖5 淬(cui)火(huo)+回火(huo)后試件(jian)金相形貌500×
從圖4明顯(xian)看出:鐵素(su)體和(he)珠光體呈帶(dai)狀(zhuang)交替分布,呈現出較(jiao)(jiao)為明顯(xian)的(de)帶(dai)狀(zhuang)組織(zhi),內部組織(zhi)極不(bu)均(jun)勻。低合金鋼經調質處理后(hou),內部應(ying)分布較(jiao)(jiao)為均(jun)勻的(de)回火索氏體組織(zhi)。圖5為試樣(yang)經合理工藝(yi)進行調質處理的(de)金相組織(zhi)。
(4)表(biao)面硬(ying)(ying)(ying)度(du)檢(jian)測閥桿在(zai)HB—3000型布氏硬(ying)(ying)(ying)度(du)試驗機上(shang)檢(jian)測硬(ying)(ying)(ying)度(du),其表(biao)面硬(ying)(ying)(ying)度(du)190~207HBW,明(ming)顯(xian)偏(pian)低(di)。
(5)無(wu)損檢測分別對斷裂閥桿按(an)JB/T4730—2005的規定進行(xing)了(le)磁粉和超聲波無(wu)損檢測,結果顯示:表面(mian)及內部無(wu)超標缺陷。
3.扭矩及零件尺寸檢測
(1)扭(niu)矩檢測(ce)(ce)重新加(jia)工閥桿并組裝后(hou),對事故閥門進行了(le)扭(niu)矩測(ce)(ce)試,結果見表3。
表3 閥(fa)門扭(niu)矩(ju)測試數據(ju)
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閥門(men)的(de)(de)啟(qi)閉扭(niu)矩(ju)是(shi)隨(sui)著壓(ya)力(li)的(de)(de)增(zeng)加(jia)而(er)不斷(duan)增(zeng)大的(de)(de),當壓(ya)力(li)達(da)到(dao)公稱壓(ya)力(li)時(shi),閥門(men)的(de)(de)啟(qi)閉扭(niu)矩(ju)為(wei)300N•m,折算到(dao)閥桿上的(de)(de)扭(niu)矩(ju)值為(wei)2704N•m。經計(ji)(ji)算,設計(ji)(ji)扭(niu)矩(ju)應為(wei)270N•m左右,實際操作扭(niu)矩(ju)遠大于(yu)設計(ji)(ji)扭(niu)矩(ju)。為(wei)了進一步找(zhao)到(dao)扭(niu)矩(ju)劇增(zeng)的(de)(de)其他原因,特此對此閥門(men)的(de)(de)關鍵零件進行了尺(chi)寸檢測。
(2)零(ling)件(jian)尺(chi)寸檢測(ce)閥門解體(ti)后,用三(san)坐標測(ce)量儀分別對支撐板、閥體(ti)與連(lian)接體(ti)組件(jian)等關鍵零(ling)部(bu)件(jian)進行(xing)尺(chi)寸檢測(ce),數據見(jian)表4。
表4 閥(fa)門(men)關鍵(jian)零部件尺寸(cun)檢(jian)測(ce)數據
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對檢(jian)測數(shu)據進(jin)行分(fen)析得知,支撐板端面(mian)(mian)與連(lian)體(ti)端面(mian)(mian)存在較大(da)間(jian)(jian)(jian)(jian)隙。上(shang)支撐板左邊(bian)間(jian)(jian)(jian)(jian)隙為1.53mm,右邊(bian)間(jian)(jian)(jian)(jian)隙為2.03mm;下支撐板左邊(bian)間(jian)(jian)(jian)(jian)隙為1.36mm,右邊(bian)間(jian)(jian)(jian)(jian)隙為2.17mm。
若支(zhi)撐(cheng)板(ban)端(duan)面(mian)與連(lian)接(jie)體止(zhi)口端(duan)面(mian)間(jian)(jian)隙(xi)過(guo)大(da),則在(zai)介(jie)質力(li)的(de)(de)(de)作用下(xia),支(zhi)撐(cheng)板(ban)會(hui)發生移(yi)動,將壓緊力(li)傳遞(di)到(dao)閥(fa)(fa)(fa)桿上,這樣會(hui)使(shi)閥(fa)(fa)(fa)桿承(cheng)(cheng)受很(hen)大(da)的(de)(de)(de)扭(niu)(niu)矩(ju)(ju)和剪(jian)切力(li)。實踐證明:支(zhi)撐(cheng)板(ban)端(duan)面(mian)與連(lian)接(jie)體止(zhi)口端(duan)面(mian)之間(jian)(jian)間(jian)(jian)隙(xi)為0.2~0.5mm時較(jiao)為適宜。而此臺閥(fa)(fa)(fa)門支(zhi)撐(cheng)板(ban)與連(lian)接(jie)體止(zhi)口端(duan)面(mian)的(de)(de)(de)間(jian)(jian)隙(xi)遠(yuan)超過(guo)0.5mm,在(zai)介(jie)質力(li)的(de)(de)(de)作用下(xia),閥(fa)(fa)(fa)桿會(hui)承(cheng)(cheng)受較(jiao)大(da)的(de)(de)(de)扭(niu)(niu)矩(ju)(ju)。
4.結語
造成此臺管(guan)線球閥(fa)(fa)閥(fa)(fa)桿(gan)斷裂的主要原(yuan)因有(you):支撐板端(duan)(duan)面與連(lian)接體(ti)止口(kou)端(duan)(duan)面之間存(cun)在過大的間隙,尺寸超差(cha);閥(fa)(fa)桿(gan)材料的熱(re)處理工藝不當,導(dao)致(zhi)閥(fa)(fa)桿(gan)的強度、硬度均低于標(biao)準值。