軌道球閥閥桿失效分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)

　　探討了軌道球閥分段式閥桿斷裂原因，分析了失效閥桿的光譜、金相以及硬度檢測(cè)結(jié)果，提出了適合閥門(mén)實(shí)際工況的解決方案。

1、概述

　　軌道球閥綜合了球閥、閘閥和截止閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，具有閥門(mén)啟閉時(shí)密封面無(wú)摩擦和操作扭矩低等優(yōu)點(diǎn)，在煤化工系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。某煤制油公司制氫裝置膜分離系統(tǒng)的空壓機(jī)管道上應(yīng)用的國(guó)外進(jìn)口手動(dòng)軌道球閥，其規(guī)格為NPS 8，壓力等級(jí)Class 1 500，工作壓力19. 5MPa，閥桿為分段式結(jié)構(gòu)。在空壓機(jī)檢修時(shí)需要對(duì)閥門(mén)進(jìn)行操作，但閥門(mén)開(kāi)啟或關(guān)閉階段均發(fā)生過(guò)閥桿斷裂現(xiàn)象。

2、問(wèn)題分析

　　軌道球閥啟閉過(guò)程中，閥桿既受旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)扭力，同時(shí)也承受上下運(yùn)動(dòng)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(méi)有損壞。檢測(cè)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(duì)損壞的閥桿取樣測(cè)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(cè)值Wt %

表2 硬度檢測(cè)HRC

表3 力學(xué)性能測(cè)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ASTM A276 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(guò)分析，確定損壞的下閥桿材料為淬火處理的420。

表4 ASTM A276 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(cè)閥桿材料抗拉強(qiáng)度達(dá)1 200MPa 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

3、工況分析

　　閥門(mén)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(kāi)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(shí)，氫氣擴(kuò)散侵入鋼材中，當(dāng)冷卻過(guò)程中，由于氫來(lái)不及從鋼材中向外釋放，鋼材內(nèi)就會(huì)吸入一定的氫，從而引發(fā)裂紋。硫化物應(yīng)力開(kāi)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(shí)，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(kāi)裂發(fā)生的3 個(gè)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(zhǎng)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(guò)淬火處理后其伸長(zhǎng)率和收縮率過(guò)小，脆性高，材料硬度過(guò)高而韌性不足。因此，閥門(mén)使用一段時(shí)間后，閥桿已經(jīng)產(chǎn)生裂紋，一旦對(duì)閥門(mén)進(jìn)行操作，即造成閥桿損壞，與軌道閥門(mén)在開(kāi)關(guān)時(shí)發(fā)生閥桿斷裂的情況吻合。

4、解決方案

　　結(jié)合閥桿的強(qiáng)度要求和閥門(mén)的使用工況，可采用兩種解決方案。①保留原有閥桿結(jié)構(gòu)。上閥桿結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用420 材料能滿足使用要求。下閥桿結(jié)構(gòu)復(fù)雜，材料采用17 - 4PH。此方案的優(yōu)點(diǎn)是成較低，加工方便，裝配簡(jiǎn)單。②將閥桿設(shè)計(jì)為一體式結(jié)構(gòu)( 圖5) ，即將上下連接的閥桿改為整體制造，閥桿材料選用17 - 4PH。雖然整體閥桿加工難度略有增加，但是不受內(nèi)螺紋退刀槽和防轉(zhuǎn)銷孔對(duì)閥桿強(qiáng)度削弱的影響，閥桿的整體性能得到提高。

圖5 整體閥桿

　　2種方案材料的控制都按照NACE MR0175 的要求執(zhí)行。

　　(1) 420 材料硬度控制在≤22HRC，材料的熱處理程序分3 步進(jìn)行。①奧氏體化和淬火后空冷。②最小溫度達(dá)到621℃ 回火，然后冷卻到環(huán)境溫度。③最小溫度達(dá)到621℃回火，但低于第一次回火溫度，然后冷卻到環(huán)境溫度。

　　(2) 17 - 4PH 材料硬度控制在≤33HRC，并采用雙重時(shí)效硬化熱處理。①在1 038 ± 14℃固溶退火，空冷或液體淬火到32℃以下。②在760 ± 14℃進(jìn)行第一次沉淀硬化，保溫至少2h，空冷或者液體淬火到32℃以下。③在621 ± 14℃進(jìn)行第二次沉淀硬化，保溫至少4h，空冷或者液體淬火到32℃以下。

5、結(jié)語(yǔ)

　　改進(jìn)后的閥桿保證了軌道球閥在含硫化氫工況下的長(zhǎng)期有效運(yùn)行。閥門(mén)設(shè)計(jì)和制造時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際使用工況，尤其是在苛刻工況下，作出一些有針對(duì)性的差異設(shè)計(jì)，嚴(yán)格遵照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或高于標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，才能滿足實(shí)際需要和客戶要求。