球阀阀杆断裂失效分析 - 高工阀门股份有限公司

管线球阀是输油输气管线中不可缺少的控制介质元件。某单位使用的1台进口管线球阀，在项目现场发生了阀杆断裂事故，导致此台阀门无法正常使用，委托我公司进行维修。为了找到阀杆断裂的主要原因，特此进行了以下分析。

阀杆断口位于O型圈槽与台阶的过渡处，断口面比较平整（见图1）。阀门经解体后发现：球面有明显的划痕，并且有多处坑窝（见图2）；阀座上的O型圈已损坏，存在长约8mm左右的缺口（见图3）。

1.分析过程

经解体后得知：此阀门结构为双向阀座密封固定式球阀，主要由阀体、左右连接体、阀杆、上下支撑板、球体、密封圈、执行机构等组成；密封副由阀座组件上的O型圈与球体球面构成；球体由上、下两个支撑板支撑，通过旋转执行机构带动阀杆转动，从而实现球体的90°旋转，并通过进、出口两端阀座与球体的密封，实现接通和截断介质的目的。

这种结构形式的阀门特点是：阀门为筒状体、固定球结构，阀座采用双座双向自密封结构，同时有预紧弹簧，保证密封可靠和自动泄放中腔过高压力的功能；阀门内置有支撑板，球体通过上下支撑板固定于阀腔之中，大大减小阀杆的受力情况。当阀门在正常工作时，介质的密封力通过支撑板作用到连接体上，

2.理化分析及无损检测

（1）化学成分 在光谱分析仪进行了光谱分析，分析结果参见表1。表1 阀杆材料化学成分（质量分数）（%）

	C	Mo	Cr	Mn	Si	P	S
标准值	0.28～0.33	0.15～0.25	0.8～1.10	0.4～0.6	0.15～0.35	≤0.035	≤0.040
检测值	0.303	0.17	0.92	0.48	0.17	0.018	0.011

从以上分析数据可以得知：阀杆的材质符合ASTM A322对4130材料的要求。
（2）力学性能试验
断裂阀杆加工成拉伸试样，在WE-60型万能材料试验机进行拉伸试验，试验结果见表2。表2 阀杆材料力学性能试验数据

	抗拉强度σb/MPa	屈服强度σS/MPa	伸长率A（%）
标准要求	≥1145	≥1110	≥26
试验值	660	465	9

从以上试验数据可以得知：阀杆的力学性能是不达标的。为了探究力学性能偏低的原因，特此进行了微观组织分析。
（3）微观组织分析
取样部位为阀杆断裂面，金相观察纵截面金相组织为珠光体与铁素体（见图4），而且呈连续带状分布，带状组织达到5级（按GB/T13299-1991 C系列评级标准）。组织中铁素体晶界清晰可见，珠光体带宽窄不一，见图5。

从图4明显看出：铁素体和珠光体呈带状交替分布，呈现出较为明显的带状组织，内部组织极不均匀。低合金钢经调质处理后，内部应分布较为均匀的回火索氏体组织。图5为试样经合理热处理工艺进行调质处理的金相组织。

（4）表面硬度检测

阀杆在HB-3000型布氏硬度试验机上检测硬度，其表面硬度190～207HBW，明显偏低。

（5）无损检测

分别对断裂阀杆按JB/T4730-2005的规定进行了磁粉和超声波探伤检验，结果显示：表面及内部无超标缺陷。

3.扭矩及零件尺寸检测

（1）扭矩检测

重新加工阀杆并组装后，对事故阀门进行了扭矩测试，试验结果见表3。

表3 阀门扭矩测试数据

	单面进压，检测阀门执行机构输出轴的扭矩
压力P/MPa	0.5	1.0	1.8	3.0	4.0	5.0	6.3
扭矩T/N·m	40	80	100	140	170	250	300

从以上数据得知：阀门的启闭扭矩是随着压力的增加而不断增大的，当压力达到公称压力时，阀门的启闭扭矩为300N·m，折算到阀杆上的扭矩值为2704N·m。经计算，设计扭矩应为270N·m左右，实际操作扭矩远大于设计扭矩。为了进一步找到扭矩剧增的其他原因，特此对此阀门的关键零件进行了尺寸检测。

（2）零件尺寸检测

阀门解体后，用三坐标测量仪分别对支撑板、阀体与连接体组件等关键零部件进行了尺寸检测，检测数据见表4。

表4 阀门关键零部件尺寸检测数据

检测部位	支撑板两端面到轴孔中心尺寸	阀体止口端面至阀体轴孔中心尺寸
检测值/mm	上支撑板：62.770（右），62.223（左）下支撑板：62.626（右），62.392（左）	左边：63.750 右边：64.800

对检测数据进行分析得知，支撑板端面与连体端面存在较大间隙。上支撑板左边间隙为1.53mm，右边间隙为2.03mm；下支撑板左边间隙为1.36mm，右边间隙为2.17mm。

若支撑板端面与连接体止口端面间隙过大，则在介质力的作用下，支撑板会发生移动，将压紧力传递到阀杆上，这样会使阀杆承受很大的扭矩和剪切力。实践证明：支撑板端面与连接体止口端面之间间隙在0.2～0.5mm时较为适宜。而此台阀门支撑板与连接体止口端面的间隙远远超过0.5mm，在介质力的作用下，阀杆会承受较大的扭矩。