高壓蒸汽管道截止閥閥芯開裂原因分析

黃星星

關鍵詞：截止閥;閥芯;失效分析;疲勞開裂

0 引言

閥門在石油化工行業中是一個非常重要的元件，作為介質流量大小的控制單元，它調節并控制著流體的輸送量，并影響著流體的流動速度。

在正常的工業生產中起著不可或缺的作用。不幸的是，閥門的失效在各大工程項目中不少發生[1]，具體的失效形式有很多，但無疑都導致了閥門喪失了或減少了對流體的控制。一旦發生閥門失效，則會對工業生產帶來巨大影響，除了不可估量的經濟損失外，很多情況還造成了嚴重的人員傷亡[2]。為了避免同樣的事故再次發生，在事故發生后需要對失效原因進行客觀認真的分析，提出科學合理的解決方案。

1 高壓蒸汽截止閥的結構

本文中列舉的就是我司某水處理模塊項目實例，該項目中高壓蒸汽管線中的一臺截止閥出現閥芯開裂的情況。圖1為該高壓蒸汽截止閥的結構示意圖，閥門型號為ED，閥芯材質為316不銹鋼。工作入口壓力4.4MPa，工作溫度在400℃左右，閥體尺寸200mm，介質為水蒸汽。蒸汽從底部進入，閥桿通過上下移動帶動閥芯進而控制氣體的流動。蒸汽閥在裝置開車約8個月后，客戶在現場發現其下游管道物料成分偏離正常值，通過停車檢查發現該閥芯開裂。閥芯的開裂對生產造成了不良影響，于是客戶要求我司重新供貨，替換該閥門。我司為了分析閥芯開裂原因，將故障閥門帶回并對失效部位進行了取樣分析。

2 閥芯開裂原因分析

為了確定清楚閥芯開裂的原因，對其失效位置金相組織進行了宏觀觀察、掃描電鏡分析以及材質分析，一步步排查和確定。

2.1 宏觀觀察

圖2為發生失效開裂后的閥芯，閥芯頂部與閥桿連接。從閥芯外壁（圖2（a））可以觀察到，裂紋從閥芯的底部沿軸向擴展，沿軸向擴展約10mm后，在閥芯中部裂紋出現分支。閥芯表面金屬顏色顯示，閥芯明顯受到高溫影響。從圖2（b）可以觀察到裂紋沿閥芯厚度貫穿了閥芯。

為了分析導致斷裂的原因，我們對斷口位置通過線切割進行了取樣分析，取樣位置如圖2（a）所示的斷口取樣區。圖3為斷口宏觀形貌，從斷口宏觀形貌上可以發現斷口上呈現放射紋和貝殼紋，因此可以得出裂紋是由閥芯內壁向外壁擴展。放射紋和貝殼紋的出現表明導致閥芯開裂的原因是金屬疲勞，疲勞源位于放射紋聚集點。從圖3可以看出，起裂源位于閥芯內壁。從圖3中，可以觀察到有多個疲勞源。

斷口宏觀形貌分析表明：導致閥芯失效的原因是疲勞，疲勞源位于閥芯內表面，且屬于多疲勞源形式的失效。

2.2 掃描電鏡分析

為了進一步確定閥芯開裂屬于疲勞引起，再對斷口進行掃描電鏡分析。結果如圖4（a）所示，掃描電鏡下觀察到斷口表面有明顯的疲勞輝紋，且疲勞輝紋的擴展方向沿內壁向外壁，進一步證明了閥芯的開裂是由疲勞裂紋的擴展導致。從上圖的圖3可以看出，斷口表面的放射紋匯集于閥芯內壁，為了弄清導致疲勞開裂的根本原因，我們又對內壁進行了觀察分析。圖4（b）為斷口靠近內壁的形貌，疲勞源為凹坑，可以表明疲勞很可能是由閥芯內壁的凹坑造成，而凹坑可能是由腐蝕引起的。請見下方斷口表面宏觀圖片。

斷口的宏觀形貌和掃描電鏡分析表明閥芯的疲勞起源于閥芯內壁，疲勞源處存在凹坑。為了進一步分析凹坑產生的原因，還需要對閥芯內壁進行觀察。利用砂紙打磨內壁的氧化，然后通過掃描電鏡和EDS觀察并分析內壁。圖5為內壁的分析結果，從圖5（a）中可以看出內壁表面存在腐蝕坑。利用EDS分析腐蝕坑的化學成分，結果如圖5（b）所示。從圖中可以觀察到，腐蝕坑中含有大量的Cr元素和O元素，同時也檢測出不銹鋼中不應該不存在的元素如Cu元素和Zn元素。所以導致腐蝕出現的原因很可能是因為Cu元素、Zn元素和少量出現的S元素。

掃描電鏡的分析結果表明閥芯斷口有疲勞輝紋，疲勞輝紋是疲勞斷裂最明顯的特征[3]。疲勞源位于閥芯內表面的腐蝕坑，腐蝕坑內有Zn，Cu和少量S，這些元素導致了內壁的點腐蝕。

2.3 材質分析

在結構部件失效分析中，由于材料不符合導致災難性后果屢見不鮮[4]。如果是由于材料不滿足標準需求，那么構件的失效很有可能是材料引起。為了進一步弄清閥芯的疲勞開裂是否由材料導致，對閥芯材料進行了化學成分檢測。表1是閥芯材料通過光譜檢測獲得的化學成分，該結果表明閥芯材料符合316不銹鋼的標準。

為了進一步確定導致疲勞開裂的原因，取垂直于斷口的表面進行金相組織觀察。將試樣用砂紙打磨，最終用拋光布拋光得到拋光狀態的試樣，將拋光后的試樣利用草酸電解后得到腐蝕態的試樣。通過腐蝕態的試樣可以用來觀察閥芯材料的金相組織是否正常。結果表明，拋光態和侵蝕態下都發現內壁有裂紋，如圖6（a）和6（b）所示。圖6（a）和（b）為不同的位置，兩圖中都有裂紋，表明閥芯的開裂屬于多疲勞源的開裂。圖6（b）中裂紋起源于凹坑處，表明疲勞源可能是腐蝕坑。多疲勞源主要是由于多個腐蝕坑分布在閥芯的內壁。標準的316不銹鋼的金相組織是奧氏體，奧氏體為多邊形狀。閥芯材料的金相組織如圖6（b）所示，從圖中可以觀察到閥芯材料的金相組織為奧氏體。因此，閥芯材料的金相組織符合標準。材質分析表明閥芯材料的化學成分和金相組織都符合標準。

3 分析結果討論

材質分析表明閥芯材料的化學成分和金相組織符合標準要求;宏觀形貌觀察表明斷口有放射紋和貝殼紋，放射紋匯聚于閥芯內壁（如圖3），可以確定閥芯開裂是由疲勞裂紋的擴展導致，且屬于多疲勞源的開裂，疲勞源位于閥芯內壁。斷口掃描電鏡分析表明疲勞源位于閥芯內壁的凹坑處（如圖4（b））;閥芯內壁的掃描電鏡觀察發現閥芯內壁存在腐蝕，而且還存在起源于腐蝕坑并平行于斷口的裂紋，如圖5所示，表明疲勞很可能是由腐蝕坑造成。金相觀察（如圖6）發現凹坑處存在裂紋，也表明疲勞可能是由腐蝕造成的。腐蝕坑內有Zn，Cu和少量S，這些元素導致了內壁的點腐蝕。

在石油化工行業中，截止閥需要根據生產的需求不斷進行開關。由于入氣口的蒸汽壓為4MPa，在截止閥控制蒸汽流動的過程中，承受交變載荷。在閥芯沒有被腐蝕情況下，交變應力較小，疲勞裂紋形成很慢甚至不會發生疲勞開裂。由于腐蝕坑的出現，造成了應力集中，在腐蝕坑處出現較大的交變應力。因此，腐蝕坑的出現加速了疲勞裂紋的形成以及擴展，最終導致閥芯開裂。

4 結論

本文針對某高壓蒸汽截止閥的開裂失效進行了一系列的理論和實驗分析，通過斷口宏觀觀察、掃描電鏡觀察、金相組織以及能譜分析確定了失效發生的原因。分析結果表明：閥芯材料化學成分和金相組織符合標準，不是材料的問題。而裂紋產生于閥體的內壁，除斷口外，內壁還有平行于斷口的微裂紋。該高壓蒸汽閥閥芯開裂是疲勞所致。

疲勞開裂起裂處存在微觀腐蝕坑，這些腐蝕坑造成的應力集中加速了疲勞裂紋的產生。通過分析得出腐蝕坑內有Zn，Cu和少量S等金屬元素，這些元素導致了內壁的點腐蝕。由于閥門安裝后我在我司項目場地上并未進行過試車，未有介質流入。閥門出廠時所有的檢測也都是按照標準規定嚴格進行。檢驗合格后才用于我司項目安裝。所以這些元素很有可能是客戶現場使用過程中，工藝系統里的高溫蒸汽帶入。所以，為了避免腐蝕的發生從而引起疲勞開裂，我們建議客戶立即排查現場上游管線及設備中介質情況，嚴格控制蒸汽中的元素。

通過嚴格科學的分析，精確縝密的推論，我們嚴格完成了此次質量事故的調查和處理。及時找到了原因并提出整改方案，避免了后續進一步的損失。但同時，也再次提醒我們對于后續項目中的各項物料采買工作一定要嚴格、細心。嚴格把關，精確控制，保證產品交貨到客戶現場后能有效服役，安全生產。

參考文獻：

[1]王德忠，邢萬坤.活塞壓縮機氣閥損壞原因分析[J].壓縮機技術，2008，5（1）.

[2]王愛華，楊崇栓.小口徑電站閥門密封面的失效分析[J].閥門，1993（2）：9-11.

[3]張曉東，閆家，汪凱，等.鉆柱內防噴止回閥結構及失效原因分析[J].石油礦場機械，2013（03）：79-82.

[4]關文秀，姜濤，陶春虎，等.從失效案例分析軸承的早期失效[J].材料工程，2013（12）：14-20.