軌道球閥閥桿失效分析

一、軌道球閥閥桿失效問題分析

軌道球閥啟閉過程中，閥桿既受旋轉(zhuǎn)運(yùn)動扭力，同時也承受上下運(yùn)動的推力和拉力。分段式閥桿分為上、下兩部分。上閥桿部分包括梯形螺紋段、填料密封段以及倒密封段，下閥桿部分包括螺旋槽段、楔形段以及扁方段。上下兩段閥桿由螺紋加防轉(zhuǎn)銷連接(圖1)，其損壞的部分為下閥桿(圖2)，而上閥桿沒有損壞。檢測得到損壞的下閥桿材料中各元素含量(表1)，其符合420材料的要求。對損壞的閥桿取樣測試，得到其硬度(表2)、金相(圖3)及拉伸試驗(yàn)(表3)結(jié)果。

1.上閥桿2.防轉(zhuǎn)銷3.下閥桿

圖1 軌道球閥閥桿組合件

圖2 下閥桿損壞形貌

表1 各元素檢測值 Wt%

 表2 硬度檢測 HRC

表3 力學(xué)性能測試

圖3 金相組織圖

考慮到取樣為閥桿內(nèi)部和熱處理的淬透性，結(jié)合ASTMA276標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的熱處理要求（表4），可以判斷閥桿的熱處理工藝為淬火處理。經(jīng)過分析，確定損壞的下閥桿材料為淬火處理的420。

表4 ASTMA276規(guī)定的420熱處理?xiàng)l件

根據(jù)閥桿斷裂缺口形狀(圖4)分析，斷裂處屬于應(yīng)力集中區(qū)域，該處結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包括內(nèi)螺紋退刀槽、外軌道槽的斜面部分以及上下閥桿連接的防轉(zhuǎn)銷孔。然而軌道球閥操作扭矩只有普通球閥的1/4甚至更低，而所測閥桿材料抗拉強(qiáng)度達(dá)1200MPa以上，因此結(jié)構(gòu)上應(yīng)力集中和材料的強(qiáng)度不夠并不是造成閥桿斷裂的主要原因。

圖4 閥桿斷裂面

二、軌道球閥閥桿失效工況分析

球閥工況條件為氫氣和硫化氫等混合性介質(zhì)，其中氫氣含量約50%，硫化氫含量約0.2%。結(jié)合分析結(jié)果，閥桿失效的主要原因是由于氫致裂紋(HIC)和硫化物應(yīng)力開裂(SSC)所致。

氫致裂紋是由于鋼材在高溫高壓氫氣環(huán)境下操作時，氫氣擴(kuò)散侵入鋼材中，當(dāng)冷卻過程中，由于氫來不及從鋼材中向外釋放，鋼材內(nèi)就會吸入一定的氫，從而引發(fā)裂紋。硫化物應(yīng)力開裂是含H2S的酸性環(huán)境，當(dāng)一種易受影響材料的表面與酸性氣體接觸時，H2S分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成金屬硫化物和氫原子，氫原子在應(yīng)力最高的裂紋端擴(kuò)散到材料，晶格、晶格表面以及晶界上氫氣的擴(kuò)散和堆積降低了材料可塑性形變的能力，引起氫脆，使裂紋更容易擴(kuò)展。

軌道球閥閥桿斷裂具備了氫致裂紋和硫化物應(yīng)力開裂發(fā)生的3個條件，即應(yīng)力、介質(zhì)和材料。①閥桿斷裂處結(jié)構(gòu)復(fù)雜，應(yīng)力集中。②閥桿密封填料位置處于軌道槽上部，即閥桿斷裂部分長期與介質(zhì)接觸，而且介質(zhì)為高壓氫氣和硫化氫等混合物。③420材料是一種馬氏體不銹鋼，經(jīng)過淬火處理后其伸長率和收縮率過小，脆性高，材料硬度過高而韌性不足。因此，閥門使用一段時間后，閥桿已經(jīng)產(chǎn)生裂紋，一旦對閥門進(jìn)行操作，即造成閥桿損壞，與軌道球閥在開關(guān)時發(fā)生閥桿斷裂的情況吻合。