管(guan)線(xian)球閥是(shi)輸油輸氣(qi)管(guan)線(xian)中不(bu)可(ke)缺(que)少的控制介質元件。某(mou)單位(wei)使用(yong)的1臺(tai)進(jin)口(kou)管(guan)線(xian)球閥，在項目現場(chang)發生了閥桿斷裂事故，導致此(ci)臺(tai)閥門(men)無法(fa)正常使用(yong)，委(wei)托我(wo)公(gong)司進(jin)行維修。為了找到閥桿斷裂的主要(yao)原因，特(te)此(ci)進(jin)行了以下(xia)分析。
閥桿斷口(kou)位于O型(xing)圈槽與臺階的(de)過渡處，斷口(kou)面比(bi)較平(ping)整（見圖(tu)1）。閥門經解體后(hou)發現：球(qiu)面有(you)明顯的(de)劃痕，并且有(you)多處坑窩（見圖(tu)2）；閥座(zuo)上的(de)O型(xing)圈已(yi)損壞，存在長約(yue)8mm左右的(de)缺(que)口(kou)（見圖(tu)3）。
1.分析過程
經(jing)解體(ti)(ti)后得(de)知：此(ci)閥(fa)(fa)(fa)門結構(gou)為雙向(xiang)閥(fa)(fa)(fa)座密(mi)封(feng)固定(ding)式球閥(fa)(fa)(fa)，主要由(you)閥(fa)(fa)(fa)體(ti)(ti)、左右連接(jie)體(ti)(ti)、閥(fa)(fa)(fa)桿(gan)、上下支(zhi)撐(cheng)板、球體(ti)(ti)、密(mi)封(feng)圈、執行機構(gou)等(deng)組(zu)(zu)成(cheng)；密(mi)封(feng)副由(you)閥(fa)(fa)(fa)座組(zu)(zu)件(jian)上的O型圈與球體(ti)(ti)球面(mian)構(gou)成(cheng)；球體(ti)(ti)由(you)上、下兩個(ge)支(zhi)撐(cheng)板支(zhi)撐(cheng)，通過旋轉執行機構(gou)帶動閥(fa)(fa)(fa)桿(gan)轉動，從而實現球體(ti)(ti)的90°旋轉，并通過進、出口兩端閥(fa)(fa)(fa)座與球體(ti)(ti)的密(mi)封(feng)，實現接(jie)通和截斷介(jie)質(zhi)的目的。
這種結構(gou)形式的閥(fa)(fa)門特點是：閥(fa)(fa)門為(wei)筒狀體、固定(ding)(ding)球結構(gou)，閥(fa)(fa)座采(cai)用雙(shuang)座雙(shuang)向自(zi)密(mi)封結構(gou)，同時有預緊彈(dan)簧，保證(zheng)密(mi)封可靠(kao)和自(zi)動(dong)泄放(fang)中腔過高壓力的功能；閥(fa)(fa)門內置有支(zhi)撐板，球體通(tong)過上下支(zhi)撐板固定(ding)(ding)于閥(fa)(fa)腔之中，大大減小閥(fa)(fa)桿的受力情況。當閥(fa)(fa)門在正常工作(zuo)時，介質的密(mi)封力通(tong)過支(zhi)撐板作(zuo)用到連接體上，
2.理化分析及無損檢測
（1）化學成分 在光譜分(fen)(fen)析儀進行(xing)了光譜分(fen)(fen)析，分(fen)(fen)析結(jie)果參見表(biao)1。 表(biao)1 ; 閥桿材料化(hua)學成分(fen)(fen)（質量(liang)分(fen)(fen)數） （%）
| C | Mo | Cr | Mn | Si | P | S | |
| 標準值 | 0.28～0.33 | 0.15～0.25 | 0.8～1.10 | 0.4～0.6 | 0.15～0.35 | ≤0.035 | ≤0.040 |
| 檢測值 | 0.303 | 0.17 | 0.92 | 0.48 | 0.17 | 0.018 | 0.011 |
從以上分析數據可以得知：閥桿的材質符合ASTM A322對4130材料的要求。
（2）力學性能試驗
斷(duan)裂閥桿加工成拉伸試(shi)(shi)樣，在WE-60型(xing)萬能材(cai)(cai)料試(shi)(shi)驗(yan)機進行拉伸試(shi)(shi)驗(yan)，試(shi)(shi)驗(yan)結(jie)果見表2。 表2 閥桿材(cai)(cai)料力學性能試(shi)(shi)驗(yan)數據(ju)
| 抗拉強度σb/MPa | 屈服強度σS/MPa | 伸長率A（%） | |
| 標準要求 | ≥1145 | ≥1110 | ≥26 |
| 試驗值 | 660 | 465 | 9 |
從以上試驗數據可以得知：閥桿的力學性能是不達標的。為了探究力學性能偏低的原因，特此進行了微觀組織分析。
（3）微觀組織分析
取樣部(bu)位為閥桿斷裂面(mian)，金相(xiang)觀察縱(zong)截面(mian)金相(xiang)組織(zhi)為珠(zhu)光體(ti)(ti)與鐵素體(ti)(ti)（見(jian)圖4），而且(qie)呈連續帶(dai)(dai)(dai)狀分布，帶(dai)(dai)(dai)狀組織(zhi)達到5級(ji)（按GB/T13299-1991 C系列評級(ji)標(biao)準）。組織(zhi)中鐵素體(ti)(ti)晶(jing)界清(qing)晰(xi)可見(jian)，珠(zhu)光體(ti)(ti)帶(dai)(dai)(dai)寬(kuan)窄不一，見(jian)圖5。
從圖4明顯(xian)看出：鐵素體和(he)珠光體呈帶(dai)狀交替(ti)分布，呈現出較(jiao)為明顯(xian)的帶(dai)狀組(zu)織，內部組(zu)織極不均勻。低合金鋼經調質(zhi)處(chu)(chu)理后，內部應分布較(jiao)為均勻的回火索氏體組(zu)織。圖5為試樣經合理熱處(chu)(chu)理工藝(yi)進行調質(zhi)處(chu)(chu)理的金相組(zu)織。
（4）表面硬度檢測
閥桿在HB-3000型布氏硬度(du)試驗機上檢(jian)測硬度(du)，其表(biao)面硬度(du)190～207HBW，明(ming)顯偏低(di)。
（5）無損檢測
分別對斷裂閥(fa)桿按JB/T4730-2005的規定(ding)進行(xing)了磁(ci)粉(fen)和超(chao)聲(sheng)波(bo)探(tan)傷(shang)檢驗，結果顯示(shi)：表面及內(nei)部(bu)無(wu)超(chao)標(biao)缺陷。
3.扭矩及零件尺寸檢測
（1）扭矩檢測
重新加工(gong)閥桿(gan)并組裝后，對事(shi)故閥門進(jin)行了扭矩測試，試驗結果見表3。
表3 閥門扭矩測(ce)試數據
| 單面進壓，檢測閥門執行機構輸出軸的扭矩 | |||||||
| 壓力P/MPa | 0.5 | 1.0 | 1.8 | 3.0 | 4.0 | 5.0 | 6.3 |
| 扭矩T/N·m | 40 | 80 | 100 | 140 | 170 | 250 | 300 |
從以上數據得知：閥(fa)門的(de)(de)啟閉(bi)扭(niu)矩是隨著壓力(li)的(de)(de)增加而不斷增大的(de)(de)，當壓力(li)達到(dao)公(gong)稱壓力(li)時，閥(fa)門的(de)(de)啟閉(bi)扭(niu)矩為(wei)300N·m，折算(suan)到(dao)閥(fa)桿(gan)上的(de)(de)扭(niu)矩值為(wei)2704N·m。經計算(suan)，設計扭(niu)矩應為(wei)270N·m左右，實際操作扭(niu)矩遠(yuan)大于設計扭(niu)矩。為(wei)了進(jin)(jin)一步找到(dao)扭(niu)矩劇增的(de)(de)其(qi)他原因，特此對此閥(fa)門的(de)(de)關鍵零(ling)件進(jin)(jin)行(xing)了尺寸檢測(ce)。
（2）零件尺寸檢測
閥(fa)門解體(ti)后(hou)，用三坐標(biao)測(ce)量儀分別對支撐板(ban)、閥(fa)體(ti)與(yu)連(lian)接體(ti)組件(jian)等關鍵零部件(jian)進行了尺寸檢測(ce)，檢測(ce)數據見(jian)表(biao)4。
表(biao)4 閥門關鍵零部件尺寸檢測數據
| 檢測部位 | 支撐板兩端面到軸孔中心尺寸 | 閥體止口端面至閥體軸孔中心尺寸 |
| 檢測值/mm | 上支撐板：62.770（右），62.223（左） 下支撐板：62.626（右），62.392（左） | 左邊：63.750 右邊：64.800 |
對檢(jian)測數據進行(xing)分析得(de)知，支(zhi)撐(cheng)板(ban)端面(mian)與(yu)連(lian)體端面(mian)存在較大間(jian)隙(xi)。上支(zhi)撐(cheng)板(ban)左邊間(jian)隙(xi)為(wei)(wei)1.53mm，右邊間(jian)隙(xi)為(wei)(wei)2.03mm；下支(zhi)撐(cheng)板(ban)左邊間(jian)隙(xi)為(wei)(wei)1.36mm，右邊間(jian)隙(xi)為(wei)(wei)2.17mm。
若(ruo)支(zhi)(zhi)撐(cheng)板端(duan)面(mian)(mian)與連(lian)接體止(zhi)口(kou)端(duan)面(mian)(mian)間隙(xi)過大，則在(zai)介(jie)質力的作用(yong)下，支(zhi)(zhi)撐(cheng)板會(hui)發生移動，將壓緊力傳遞到閥桿上(shang)，這樣(yang)會(hui)使閥桿承受很(hen)大的扭矩(ju)和剪(jian)切力。實踐(jian)證明(ming)：支(zhi)(zhi)撐(cheng)板端(duan)面(mian)(mian)與連(lian)接體止(zhi)口(kou)端(duan)面(mian)(mian)之間間隙(xi)在(zai)0.2～0.5mm時較為適宜。而此(ci)臺閥門支(zhi)(zhi)撐(cheng)板與連(lian)接體止(zhi)口(kou)端(duan)面(mian)(mian)的間隙(xi)遠遠超過0.5mm，在(zai)介(jie)質力的作用(yong)下，閥桿會(hui)承受較大的扭矩(ju)。
4.結語
造成此(ci)臺管線球(qiu)閥閥桿斷(duan)裂的(de)主要原因有：支撐(cheng)板端面與連接(jie)體(ti)止(zhi)口端面之間存在過大的(de)間隙(xi)，尺寸超差；閥桿材料的(de)熱處理工藝(yi)不當，導致閥桿的(de)強度(du)(du)、硬度(du)(du)均(jun)低于(yu)標準(zhun)值。
