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，在管路中起截斷或導通流體介質的作用。某化工廠鈦材截止閥在使用過程中出現閥桿斷裂，導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行維修。為了找到閥桿斷裂的主要原因，進行了以下分析。

1.主要技術參數

公稱通徑為DN200，工作壓力為1.0MPa，工作溫度為120℃，工作介質為燒堿溶液，閥體材質為ZTA2，閥桿材質為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，對閥桿的化學成分、力學性能、金相組織檢測并在掃描電子顯微鏡下進行測試分析。

（1）化學成分 閥桿的化學成分分析結果見表1，可見閥桿的化學成分符合標準規定。

圖2 閥桿斷口宏觀照片

（2）力學性能 閥桿的力學性能分析結果見表2。由表2可見，Rm、Rp0.2均高于標準值，而A、Z均低于標準值。

（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，分析結果如圖3所示，評定結果為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行觀察，結果如圖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行成分分析，發現含氧（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

從閥桿的結構設計上來看，大小直徑之間未做圓角過渡處理，產生了應力集中。從閥桿材質的分析來看，閥桿材質中有夾雜物，純凈度差。從閥桿的力學性能分析來看，閥桿的塑性指標遠低于標準要求，從而進一步降低了閥桿的承載能力。從斷口分析來看，閥桿就是在應力集中效應和沖擊載荷共同作用下，首先閥桿靠近外表面處發生了沿晶斷裂，其次心部發生了延性斷裂。

5.結語

改進閥桿的結構設計，對大小直徑相交處應做圓角過渡處理，以減小應力集中。對閥桿的熱處理工藝方法進行改進，采用在真空或惰性氣體保護下滲氮，以減少氫的滲入。對閥桿材料進行嚴格檢驗，確保閥桿的材質符合技術要求。

圖3

表1 TC4的化學成分（質量分數） （%）

表2 TC4的力學性能試驗結果

圖4

圖5

圖6

圖7