阀体断裂失效分析.pdf

18
现代造技术与装备
2007第4期总第179期
阀体断裂失效分析
马泆涛李守泉于晓阳
(山东省产品质量监督检验硏究院,济南250100
摘要:针对使用中的自来水阀体断裂破坏,进行了宏观形貌、材质化学成分、金相组织、力学性能等失效分析工作。
结果表明,阀体断裂是由于材质缺陷和复杂应力重复作用造成的,并提出了相应的措施和建议
关鍵词:自来水阀体断裂缺陷
某自来水施工工地试供水过程中,突然发生自来水阀
表1法兰材料的化学成分
体断裂,造成自来水大量外泄。为防止使用过程中类似事
元素(
故的发生,有必要对自来水阀体的断裂原因进行分析,找「分析结果3201,620.860.010.086
出原因,提出改进方法和建议。
2金相组织检测
1检验与分析
2.1实际失效断裂断口处
.1断裂失效阀体断口的宏观检查及分析
在失效断口面取样,磨制、抛光后,检测其石墨形态如
失效阀体实物照片如图1所示。阀体是铸造而成,断
图1所示,石墨结粗大,石墨形态为片状,石墨长度为3~4
口位于紧挨着阀体法兰盘一侧,阀体断裂时阀门处于半
级(长0.25~0.50mm)。试样经3%硝酸酒精溶液浸蚀后,
闭合状态(阀门的手柄未在拧紧状态),此时阀体法兰盘
其金相组织如图3~图5所示,金相组织为珠光体与铁素
上部受到复杂拉应力状态作用。图2是阙体上部分断口体基体上分布着片状石墨并伴有少量非金属夹杂,珠光
表面的宏观形貌,断口呈脆性断裂。
体层片密度不同,但硬度差异不大;铁素体分布不均匀,
某些区域铁素体量多,见图5、图6。
图1失效阀体实物照片
图3石墨形态(x100)
图2阀体断口部分宏观形貌
2阀体材料化学成分分析
借助直读光谱仪进行能谱成分分析,对阀体化学成分
分析如表1所示
4珠光体及非金属夹杂(x200
设计与研究
19
图5珠光体与片状石(x300)
留6铁蠹体分布图(×300)
2.2拉仲断口断口处
织如图8-10所示。该样中铁素体分布不均匀,某些区
在断口附近制做拉伸试样,对拉伸断口磨制、抛光后,城也有块状非金属夹杂分布并有脆性磷共晶分布,见
其石墨形态如图7所示,石墨形态及长度与冲击断口样图10。同冲断样块一样,某些区域铁素体含量较高
块相似,样块经3%硝酸酒精溶液没蚀后,检测其金相组
图9
图7石形态(x100
图8珠光体与片状石(×400
图9片状石与铁素体(x400
图10磷共晶及非金属夹杂(x400)
2.3拉伸强度试验
由表2可以看出,其拉伸强度值及硬度值都低于技术
在阅体上纵向取样编号为1#、2非、3#,测得的机械标准规定值。对拉伸试样进行断口分析观察;发现某些区
性能数据如表2所示。
域珠光体机体上有脆性磷共晶分布,这与失效断口金相
表2
观察结果一致。对其进行能谱分析,磷量偏高,与化学成
试样编号
1#
2
3#技术标准要求
分分析结果类似,含硫量超高达0.093%,含硫量高达
僯偏高会导致恃件在晶界产生磷共晶,使强度、韧
o b(Mpa
190
186
200
性、塑性降低。较髙的含硫量会直接消耗球化剂的用量
HB
134
138
170-220
特别是凝固期间溶解态的硫对石曌形态的影响,会直接
现代制造技术与装备
2007第4期总第179期
影响石墨化处理的效果,降低力学性能,增加铸造缺陷
料化学成分中碗、磷含量偏高,造成金相组织中出现脆性
(夹渣、皮下气孔等)。
磷共晶。断口分析表明:阀体为应力疲劳断裂,阀体受力
2.4阀体受力特点分析
状态比较复杂,阀门反复开合造成阀门在剪切及扭转组
阀门」断裂位置示意图如下图所示,该阀门安装在合应力作用下工作。阀门断裂疲劳源产生于蝶阀附近
DN800的主管道和DN600的副管道之间,断裂部位距离
处,因材料本身有缺陷,缺陷处疲艻强度低,在弯曲和扭
主管道约1.5米左右。
转应力重复作用下,在阀门表面缺陷处或应力集中处首
先开裂形成裂纹源,在服役中裂纹不断向前扩展形成了
宏观疲劳裂纹,当扩展到一定长度时,该材质缺陷阀门
承受不了开启阀门而产生的复杂受力作用而产生瞬时断
阀门断裂部位
阀
裂
4结论与建议
首先,加强防护措施,自来水干道管线使用的阀门
应严格控制材质组织达到标准要求,在铸件生产过程
中,企业应建立完善的质量检测设备和质量控制体系,
如调节Mn或i等元素含量符合要求,严格控制S、P
含量。按规定对铸件进行热处理,使铸件的抗拉和抗弯
强度达到标准要求;使用性能更好的材料,管道的重要
图11园门断现位墅示意图
部位选用性能更好的材料,如碳钢、不锈钢等。其次,为
自来水管道阀门]附近受力分析较为复杂,在管道系统防止管道温差大时热胀冷缩不均导致压力变化引起的
的正常运行中,阀门本身受力平衡。当阀门突然开启(关应力疲劳破坏,以及管道地基沉降,位置变动,管道与
闭)时,因流速偏高,会产生瞬间反作用力,所产生的水阀门相互间产生极大的拉力或剪切力,阀门出现损伤
击对阀门和管道产生影响,破坏阀门受力平衡状态,水性裂纹或完全拉断,可采取安装“橡胶伸缩器阀门保
流稳定时,其受力状态又趋向平衡。这样,反复运行阀护法”,即在阀门安装位置加装橡胶减力装置代替补
门,反复打破、恢复其受力平衡状态,会对阀门造成疲劳偿器,此办法不仅解决了管道应力对阀门的破坏,同
应力破坏,最终导致阀门脆性断裂破坏。另外,事发地段时也给更换阀门带来了方便[2],特别可以防止自然
地基自然下沉,在该阀门断裂处没有水平方向弯管支地形的不均匀沉降所产生的应力对其产生破坏作
嫩,也没有垂直方向弯管支嫩,这样当施工工人在打开用,因为,自然应力往往是加速阀体断裂的主要外部
阀门时,主管道管出口处涌出的水流对整个管道形成反原
作应力,该力对碟阀法兰形成扭矩并施加剪应力,上述
应力和扭矩作用的共同结果造成蝶阀法兰失效断裂,
考文款
其断口形式也符合如上分析结果。可见,阀门材质铸造
缺陷,造成力学性能降低;阀门反复开启,形成扭矩、弯
曲造成的剪应力综合作用引起阀门断裂失效。另外,当
1CB1228-1989,通用阀门、法兰和对夹连接蝶阀[S
时,该自来水管道水压表显示水压约0.9MPa左右,有资
2]练继建,安刚,杨令强,等.引水管道阀门的动水荷载特征
与破坏分析.水利水电技术,2001,32(9):32-36
料表明,该形式的自来水管道水压阀门在受到IMPa[3]王晓东防止供热直理管网中门阀体断裂的措施.涂料防
压力时;阀板主体的主应力大约是100MPa,阀轴和轴
腐蚀技术与应用,2001,26(3)28-29
套局部的主应力可达到200MPa和150MPa,按照国家标
准规定HI200的抗拉强度不低于200MPa,若阀门材料
满足要求,阀『门]应该能够随MPa水压力作用。根据阀
ne Analysis On Fracture Of A Water Supply Valve
门材料的检验结果,其抗拉强度低于200MPa,