某截止閥開(kāi)裂原因分析

邱康勇, 吳繼權(quán), 賀 艷

(深圳市特種設(shè)備安全檢驗(yàn)研究院， 深圳 518029)

截止閥是一種強(qiáng)制密封式閥門(mén)，又稱截門(mén)閥。當(dāng)截止閥關(guān)閉時(shí)，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(zhì)、泥漿、油品和液態(tài)金屬等各類流體的流動(dòng)。某公司液化石油氣儲(chǔ)罐管路用截止閥在進(jìn)行水壓試驗(yàn)時(shí)發(fā)生開(kāi)裂導(dǎo)致泄漏，該截止閥為日本進(jìn)口閥門(mén)，由截止閥表面標(biāo)識(shí)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(shí)間約為10 a(年)，使用壓力為1.0 MPa(最高不超過(guò)1.4 MPa)，使用溫度為常溫。在設(shè)備檢修時(shí)操作人員對(duì)該截止閥進(jìn)行水壓試驗(yàn),先關(guān)閉閥門(mén)，讓水介質(zhì)從閥門(mén)進(jìn)口進(jìn)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(dāng)繼續(xù)降到1.8 MPa后保壓時(shí)，發(fā)現(xiàn)該截止閥閥體與法蘭連接處有水跡，閥門(mén)發(fā)生泄漏。水壓試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為1 h。為查明該截止閥開(kāi)裂的原因，筆者對(duì)其進(jìn)行了理化檢驗(yàn)與分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀查

宏觀觀查發(fā)現(xiàn)，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(jiàn)銀色防銹漆。截止閥開(kāi)裂處位于截止閥進(jìn)口側(cè)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(fā)生脫落后出現(xiàn)銹跡，法蘭局部區(qū)域同樣也有表層白色油漆和里層防銹漆脫落并出現(xiàn)銹跡。法蘭與閥體的連接處外裂紋長(zhǎng)度約占整個(gè)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(jiàn)明顯變形。由圖1c)可見(jiàn)，法蘭3個(gè)螺栓孔處存在明顯裂紋， 6個(gè)螺栓孔均出現(xiàn)不同程度的銹蝕，半邊法蘭出現(xiàn)變形，法蘭與閥體的連接處(截止閥進(jìn)口端內(nèi)壁靠近邊沿處)可見(jiàn)一條細(xì)小的裂紋，法蘭與閥體的連接處內(nèi)裂紋長(zhǎng)度約占整個(gè)圓弧面的1/3,法蘭內(nèi)壁局部存在大小不一的凹坑。

將截止閥法蘭面對(duì)半切開(kāi)。由圖1d)可見(jiàn)，裂紋已貫穿整個(gè)橫截面，為穿透性裂紋。由圖1e)可見(jiàn)，橫截面處裂紋由外向里擴(kuò)展，未形成穿透性裂紋。沿穿透性裂紋將斷口打開(kāi)，如圖1f)所示?？梢?jiàn)該斷口顏色分層，外層呈深棕色，內(nèi)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(yàn)

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

采用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液對(duì)上述試樣浸蝕后，采用Axio Scope.A1型光學(xué)顯微鏡進(jìn)一步觀察閥體、法蘭以及裂紋處的顯微組織。由圖3可見(jiàn)，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(wú)明顯差異，未發(fā)現(xiàn)明顯的焊縫組織，閥門(mén)為整體鑄造成型。根據(jù)GB/T 7216—2009，可知珠光體含量小于45%，珠光體級(jí)別為8級(jí)。

1.3 硬度測(cè)試

在截止閥的閥體和法蘭上沿內(nèi)壁到外壁的方向取5個(gè)試樣，試樣經(jīng)打磨、拋光后，采用NEXUS 3200型布氏硬度計(jì)進(jìn)行布氏硬度試驗(yàn)，結(jié)果如表1所示?？梢?jiàn)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(cè)試結(jié)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(kāi)的斷口處取樣，采用SU-1500型掃描電鏡(SEM)進(jìn)行觀察。由圖4a)可見(jiàn)，斷口表面有大量覆蓋物。采用掃描電鏡附帶的能譜儀(EDS)對(duì)該覆蓋物進(jìn)行微區(qū)成分分析，分析位置和分析結(jié)果如圖4所示?？梢?jiàn)斷口覆蓋物主要為鐵的氧化物，未見(jiàn)明顯的腐蝕性元素。將上述斷口進(jìn)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(jiàn)，斷口裂紋源區(qū)呈解理形貌。由圖6可見(jiàn)，斷口最后斷裂區(qū)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(jié)果Fig.4 a) SEM morphology, EDS analysis position and b) EDS analysis results of fracture

圖5 斷口裂紋源區(qū)的SEM形貌Fig.5 SEM morphology of fracture initiation area

圖6 斷口最后斷裂區(qū)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(jié)果可知，截止閥斷口顏色分層，外層呈深棕色，內(nèi)層呈暗黑色，這表明截止閥裂紋不是一次形成的，結(jié)合法蘭橫截面的宏觀形貌可知，裂紋是由外向內(nèi)擴(kuò)展的。

由金相檢驗(yàn)結(jié)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(zhǎng)度為2～3級(jí)。石墨形態(tài)對(duì)鑄鐵的力學(xué)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(zhǎng)度較長(zhǎng)，導(dǎo)致材料的力學(xué)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(mén)表面球墨鑄鐵的標(biāo)識(shí)不符。

JB/T 5300—2008《工業(yè)用閥門(mén)材料 選用導(dǎo)則》關(guān)于灰鑄鐵制閥門(mén)有如下規(guī)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(zhì)的液體介質(zhì)；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(zhì)氣體、煤氣、氨氣等介質(zhì)。由于失效截止閥使用介質(zhì)為液化石油氣，日常使用壓力約為1 MPa(最高不超過(guò)1.4 MPa)，且閥門(mén)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(wú)明顯差異，同時(shí)兩者之間未見(jiàn)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(wú)焊接。由硬度測(cè)試結(jié)果可知，閥體和法蘭的硬度基本一致，與金相檢驗(yàn)結(jié)果一致。

由斷口分析結(jié)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(jiàn)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(kāi)裂于閥體與法蘭連接處，該區(qū)域?yàn)閼?yīng)力集中區(qū)域。裂紋源區(qū)以解理形貌為主，最后斷裂區(qū)為扇形解理形貌，這表明腐蝕是在截止閥開(kāi)裂之后發(fā)生的，與閥門(mén)開(kāi)裂無(wú)直接關(guān)系。裂紋在閥體與法蘭連接處應(yīng)力集中位置萌生，并由外向內(nèi)擴(kuò)展，最終在較大的應(yīng)力作用下發(fā)生穿透性開(kāi)裂。

3 結(jié)論及建議

截止閥的法蘭和閥體材料為灰鑄鐵，與閥門(mén)表面標(biāo)識(shí)不符?；诣T鐵中石墨呈C型分布，且石墨長(zhǎng)度較長(zhǎng)，造成材料的力學(xué)性能較差；同時(shí)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(yīng)力集中處萌生，并由外向內(nèi)擴(kuò)展，最終在較大應(yīng)力作用下形成穿透性開(kāi)裂，造成閥門(mén)泄漏。

建議對(duì)同批次、同型號(hào)的閥門(mén)進(jìn)行排查和更換，截止閥在投入使用前要加強(qiáng)質(zhì)量檢驗(yàn)，防止引發(fā)泄漏事故。