綜合了球閥(fa)、閘閥和截止(zhi)閥的結構(gou)特點(dian)，具有閥門(men)啟(qi)閉時密(mi)封(feng)面(mian)無摩擦和操作扭(niu)矩低(di)等優點(dian)，在煤(mei)化工(gong)系統中得到廣泛的(de)應(ying)用。某煤(mei)制油公司制氫裝(zhuang)置膜分離系統的(de)空壓(ya)機管道上應(ying)用的(de)國外(wai)進口手動軌(gui)道球閥(fa)，其規格為NPS8，壓(ya)力等級Class1500，工(gong)作壓(ya)力19.5MPa，閥(fa)桿為分段(duan)式(shi)結構(gou)。在空壓(ya)機檢(jian)修時需要對(dui)閥門進行操作，但閥門開啟或關閉(bi)階段均發(fa)生過閥桿斷(duan)裂現象。

    2 問(wen)題分析

    啟閉過程中，閥桿既受旋轉運動扭力，同時也承受上下運動的推力和拉力。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（表3）結果。

1.上(shang)閥(fa)桿2.防轉銷(xiao)3.下(xia)閥(fa)桿

圖1 軌道球閥閥桿組合件

圖(tu)2 下閥桿(gan)損(sun)壞形貌

表(biao)1 各元素(su)檢測值 Wt%

表2 硬度檢測 HRC

表3 力學性(xing)能測試

圖3 金(jin)相組(zu)織圖

    考慮到取樣為閥桿(gan)內部和熱處(chu)理(li)的(de)淬(cui)透性，結合ASTMA276標準規定(ding)的(de)熱處(chu)理(li)要求（表4），可以(yi)判斷閥桿(gan)的(de)熱處(chu)理(li)工藝為淬(cui)火(huo)處(chu)理(li)。經過分析，確(que)定(ding)損(sun)壞(huai)的(de)下閥桿(gan)材料為淬(cui)火(huo)處(chu)理(li)的(de)420。

表4 ASTMA276規定的(de)420熱處理條件

    根(gen)據閥(fa)(fa)桿(gan)斷(duan)裂缺口形(xing)狀（圖(tu)4）分析，斷(duan)裂處屬于應力集(ji)中(zhong)區域，該處結(jie)構復雜(za)，包括(kuo)內螺紋退刀槽、外軌道槽的(de)斜面部分以及(ji)上(shang)下(xia)閥(fa)(fa)桿(gan)連接(jie)的(de)防轉銷孔。然而軌道球(qiu)(qiu)閥(fa)(fa)操作扭矩只(zhi)有普通(tong)球(qiu)(qiu)閥(fa)(fa)的(de)1/4甚至(zhi)更低，而所測閥(fa)(fa)桿(gan)材(cai)料抗拉強(qiang)度(du)(du)達(da)1200MPa以上(shang)，因(yin)此結(jie)構上(shang)應力集(ji)中(zhong)和材(cai)料的(de)強(qiang)度(du)(du)不夠并不是造(zao)成閥(fa)(fa)桿(gan)斷(duan)裂的(de)主要(yao)原因(yin)。

圖4 閥桿斷裂面(mian)

    
    3 工況分析

    閥門工況條件(jian)為氫(qing)(qing)氣(qi)和硫化(hua)氫(qing)(qing)等混合性介質，其中(zhong)氫(qing)(qing)氣(qi)含(han)量約(yue)(yue)50%，硫化(hua)氫(qing)(qing)含(han)量約(yue)(yue)0.2%。結(jie)合分析結(jie)果，閥桿(gan)失效的主(zhu)要原因(yin)是(shi)由于氫(qing)(qing)致裂(lie)紋 （HIC）和硫化(hua)物應力開(kai)裂(lie)（SSC）所致。

    氫致裂紋是由于鋼材在高壓氫氣環境下操作時，氫氣擴散侵入鋼材中，當冷卻過程中，由于氫來不及從鋼材中向外釋放，鋼材內就會吸入一定的氫，從而引發裂紋。硫化物應力開裂是含H₂S的酸性環境，當一種易受影響材料的表面與酸性氣體接觸時，H₂S分子發生化學反應，形成金屬硫化物和氫原子，氫原子在應力zui高的裂紋端擴散到材料，晶格、晶格表面以及晶界上氫氣的擴散和堆積降低了材料可塑性形變的能力，引起氫脆，使裂紋更容易擴展。

    閥桿斷裂具備了氫致裂紋和硫化物應力開裂發生的3個條件，即應力、介質和材料。

①閥(fa)桿斷裂處結構(gou)復雜，應力集(ji)中。

②閥桿密封填料(liao)位置處于軌道槽上部(bu)，即閥桿斷裂部(bu)分長期與介質(zhi)接(jie)觸，而(er)且介質(zhi)為高壓氫(qing)氣和硫化(hua)氫(qing)等混(hun)合物。

③420材料是一種(zhong)馬(ma)氏體不銹鋼，經過淬火處理(li)后(hou)其伸長率和(he)收(shou)縮(suo)率過小，脆性(xing)高(gao)，材料硬度過高(gao)而韌(ren)性(xing)不足。因此，閥門(men)使用(yong)一段時(shi)間(jian)后(hou)，閥桿已經產生裂紋(wen)，一旦對閥門(men)進行操作，即造成閥桿損壞，與軌(gui)道閥門(men)在開(kai)關(guan)時(shi)發生閥桿斷裂的情(qing)況吻合。

    4 解決(jue)方(fang)案

    結(jie)合(he)閥(fa)(fa)(fa)(fa)桿(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)的(de)(de)(de)(de)強(qiang)度(du)要求(qiu)和(he)的(de)(de)(de)(de)使用(yong)工況，可采(cai)用(yong)兩(liang)種解(jie)決(jue)方(fang)(fang)案。①保(bao)留(liu)原有閥(fa)(fa)(fa)(fa)桿(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)結(jie)構。上閥(fa)(fa)(fa)(fa)桿(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)結(jie)構簡單，采(cai)用(yong)420材料(liao)能滿足使用(yong)要求(qiu)。下閥(fa)(fa)(fa)(fa)桿(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)結(jie)構復(fu)雜，材料(liao)采(cai)用(yong)17－4PH。此方(fang)(fang)案的(de)(de)(de)(de)優點(dian)是(shi)成本較低，加(jia)工方(fang)(fang)便，裝配簡單。②將(jiang)閥(fa)(fa)(fa)(fa)桿(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)設計為一體(ti)(ti)式結(jie)構（圖5），即(ji)將(jiang)上下連接的(de)(de)(de)(de)閥(fa)(fa)(fa)(fa)桿(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)改為整(zheng)體(ti)(ti)制造，閥(fa)(fa)(fa)(fa)桿(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)材料(liao)選用(yong)17－4PH。雖然整(zheng)體(ti)(ti)閥(fa)(fa)(fa)(fa)桿(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)加(jia)工難度(du)略有增加(jia)，但(dan)是(shi)不受內螺紋退刀(dao)槽和(he)防(fang)轉銷孔對(dui)閥(fa)(fa)(fa)(fa)桿(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)強(qiang)度(du)削弱的(de)(de)(de)(de)影(ying)響，閥(fa)(fa)(fa)(fa)桿(gan)(gan)(gan)(gan)(gan)的(de)(de)(de)(de)整(zheng)體(ti)(ti)性能得到(dao)提高。