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电子式调节球阀阀体断裂原因分析

    某单位对一球阀进行壳体强度试验,在压力加到接近14.5MPa(设计压力为15.0MPa)时,一端阀体突然断裂。事故发生后,对该阀的强度、断口形貌、材料的化学成分及力学性能、生产制造工艺和压力试验过程进行了分析。

    1 检测

    球阀阀体为组焊式(图1),阀体部分材料为A105,法兰材料为20MnMo。断裂位置位于阀体与法兰连接端圆角处,呈周向断裂(图2)。

    1.1 强度校核

    根据高压钢制调节阀阀体壁厚计算公式(1)、(2)

     经计算阀体最小壁厚应为51.25mm,按ASMEB16.34要求,阀体最小壁厚为49.78mm,阀体设计最小壁厚和实际最小壁厚为62mm,满足强度要求。

    1.2 断口分析

    观察阀体断裂处,其断口较平坦,呈明显晶状,亮灰色,有强烈的金属光泽。断面洁净,无氧化现象及其他冶金和锻轧缺陷。局部可见放射状“人字纹”,并汇聚指向裂纹源。用扫描电镜进行断口形貌分析,观测SEM形貌,其断口特征为粗大解理扇+沿晶裂纹,属典型脆性断口。由此可见,断口的宏观特征(结晶状及人字纹花样)和微观SEM特征(解理+沿晶)均为典型脆断机理。

    在断口部位和本体抗拉试棒上分别取样进行金相组织分析得出,断口部位与本体组织一致,即断裂部位和裂纹源不在焊缝及其热影响区。断口部位和抗拉试棒的金相组织均为铁素体+珠光体,晶粒粗大,晶粒度为3~4级,魏氏组织2级,带状组织3级,未见异样非金属夹杂物,属退火组织。

    1.3 化学成分和力学性能

    经取样测得阀体A105端化学成分如表1,纵向力学性能如表2。测试结果表明,该构件的强度指标σb、σs符合要求,韧性指标稍低。

    1.4 制造工艺及压力试验

    阀体由A105和20MnMo两种锻件基材采用埋弧自动焊组焊而成,焊后经400~500℃去应力处理,并按图加工,几何尺寸检查符合图纸要求,外观未见明显加工缺陷。壳体强度试验以水为介质,用往复泵连续加压,按设计要求应加压到15.0MPa,实际加压到约14.5MPa即发生断裂。

    2 分析

    综合检测结果,该阀体设计强度和原材料的化学成分均符合要求。无冶金和锻轧缺陷,未见异样非金属夹杂物,说明冶金缺陷和非金属夹杂物对材料性能的影响可以忽略。断口部位与本体组织一致,断裂部位和裂纹源不在焊缝及其热影响区,而位于强度(与20MnMo比较)稍低的A105侧的圆角处,说明焊接不是造成阀体断裂的主要原因。

    断裂力学的研究成果表明,低温、高速加载、尖缺口及材料大晶粒结构是导致金属零件解理破断的主要原因(3)

    加载速率是指载荷施加于机件时的速率,用单位时间内应力增加的数值表示(4)加载速率较低时,断裂应力较高。加载速率较高时,断裂韧性降低,断裂应力较低,裂纹尖端最大主应力随加载速率的增大而升高。加载速率对钢脆性的影响和钢的强度水平有关,中低强钢的韧脆转变温度对加载速率比较敏感,而高强钢的韧脆转变温度对加载速率敏感性较小,加载速度是塑性金属材料转化为脆性材料的重要外因之一。A105属于中低强钢,在进行壳体强度试验时以水为介质,用往复泵连续加压,因水为不可压缩的液体,阀腔内注满水后,用往复泵连续加压,阀腔内压力升高很快,加载速率是很快的。快速加载是造成阀体解理断裂的主要原因之一。

    晶粒度对脆性断裂影响很大,金属零件产生脆性断裂时,断裂应力与晶粒度的关系式为

    式中 σC———脆性断裂应力,MPa

    σo———材料内的摩擦力,MPa

    kc———系数

    d———晶粒度

    金相分析结果表明,阀体晶粒度为3~4级,晶粒粗大,晶粒粗大是该阀体在低应力状况下发生解理脆断的又一主要原因。

    金属零件破断失效部位,往往发生在零件几何形状突然变化引起应力集中的部位,裂缝扩展方向总是按照最小阻力路线前进。从阀体结构看,断裂处内部有台阶,外部有圆角,在几何形状上有突变,正是应力集中的地方,因此,应力集中也是造成阀体脆性断裂的原因之一。

   3 结语

    综合测试和分析结果,造成球阀阀体在进行壳体强度试验时断裂的主要原因是晶粒粗大、加载速度过快和应力集中。应采取措施加以改进。①严格控制坯件的始锻温度和终锻温度,锻后必须按相关规范要求进行热处理,以细化晶粒,改善材料的性能。②在保证阀体壁厚的同时,尽量加大阀体内外倒角处的圆角半径,减少应力集中。③对阀门的压力试验采用逐级缓慢升压,避免升压速度过快。

    参考文献
    (1)束德林1金属力学性能(M)。北京:机械工业出版社,1986,52-941。

    (2)洪勉成,等1阀门设计计算手册(M)1北京:中国标准出版社,1994,251

    (3)胡世炎,等1机械失效分析手册(M)1成都:四川科学技术出版社1989,362-3741

    (4)杨源泉1阀门设计手册(M)1北京:机械工业出版社,1992,3591