軌道球閥閥桿失效分析及其結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案

2014-08-23 施偉明 江蘇神通閥門(mén)股份有限公司

  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(xiāo)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。

軌道球閥閥桿組合件

1. 上閥桿2. 防轉(zhuǎn)銷(xiāo)3. 下閥桿

圖1 軌道球閥閥桿組合件

下閥桿損壞形貌

圖2 下閥桿損壞形貌

表1 各元素檢測(cè)值Wt %

各元素檢測(cè)值

表2 硬度檢測(cè)HRC

硬度檢測(cè)

表3 力學(xué)性能測(cè)試

力學(xué)性能測(cè)試

金相組織圖

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

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(xiāo)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。

閥桿斷裂面

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(xiāo)孔對(duì)閥桿強(qiáng)度削弱的影響,閥桿的整體性能得到提高。

整體閥桿

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。