ASCO電磁閥閥桿斷裂失效分析

　　ASCO電磁閥管線(xiàn)中的控制介質(zhì)元件。某單位使用的1臺進(jìn)口管線(xiàn)球閥，在項目現場(chǎng)發(fā)生了閥桿斷裂事故，導致此臺閥門(mén)無(wú)法正常使用，委托我公司進(jìn)行維修。為了找到閥桿斷裂的主要原因，特此進(jìn)行了以下分析。

　　ASCO電磁閥閥桿斷口位于O型圈槽與臺階的過(guò)渡處，斷口面比較平整（見(jiàn)圖1）。閥門(mén)經(jīng)解體后發(fā)現：球面有明顯的劃痕，并且有多處坑窩；閥座上的O型圈已損壞，存在長(cháng)約8mm左右的缺口）。

　　1.分析過(guò)程

　　經(jīng)解體后得知：此閥門(mén)結構為雙向閥座密封固定式球閥，主要由閥體、左右連接體、閥桿、上下支撐板、球體、密封圈、執行機構等組成；密封副由閥座組件上的O型圈與球體球面構成；球體由上、下兩個(gè)支撐板支撐，通過(guò)旋轉執行機構帶動(dòng)閥桿轉動(dòng)，從而實(shí)現球體的90°旋轉，并通過(guò)進(jìn)、出口兩端閥座與球體的密封，實(shí)現接通和截斷介質(zhì)的目的。

　　這種結構形式的閥門(mén)特點(diǎn)是：閥門(mén)為筒狀體、固定球結構，閥座采用雙座雙向自密封結構，同時(shí)有預緊彈簧，密封和自動(dòng)泄放中腔過(guò)高壓力的功能；閥門(mén)內置有支撐板，球體通過(guò)上下支撐板固定于閥腔之中，大大減小閥桿的受力情況。當閥門(mén)在正常工作時(shí)，介質(zhì)的密封力通過(guò)支撐板作用到連接體上，　?。?）力學(xué)性能試驗

　　斷裂閥桿加工成拉伸試樣，在WE-60型萬(wàn)能材料試驗機進(jìn)行拉伸試驗，試驗結果見(jiàn)表2。 表2  閥桿材料力學(xué)性能試驗數據

　　抗拉強度σb/MPa 屈服強度σS/MPa 伸長(cháng)率A（%）

　　從以上試驗數據可以得知：閥桿的力學(xué)性能是不達標的。為了探究力學(xué)性能偏低的原因，特此進(jìn)行了微觀(guān)組織分析。

　?。?）微觀(guān)組織分析

　　取樣部位為閥桿斷裂面，金相觀(guān)察縱截面金相組織為珠光體與鐵素體（見(jiàn)圖4），而且呈連續帶狀分布，帶狀組織達到5級組織中鐵素體晶界清晰可見(jiàn)，珠光體帶寬窄不一，見(jiàn)圖5。

　　從圖ASCO電磁閥顯看出：鐵素體和珠光體呈帶狀交替分布，呈現出較為明顯的帶狀組織，內部組織極不均勻。低合金鋼經(jīng)調質(zhì)處理后，內部應分布較為均勻的回火索氏體組織。圖5為試樣經(jīng)合理熱處理工藝進(jìn)行調質(zhì)處理的金相組織。

　?。?）表面硬度檢測

　　ASCO電磁閥布氏硬度試驗機上檢測硬度，其表面硬度190～207HBW，明顯偏低。

　?。?）無(wú)損檢測

　　分別對斷裂閥桿按JB/T4730-2005的規定進(jìn)行了磁粉和超聲波探傷檢驗，結果顯示：表面及內部無(wú)超標缺陷。

　　3.扭矩及零件尺寸檢測

　?。?）扭矩檢測

　　ASCO電磁閥閥桿并組裝后，對事故閥門(mén)進(jìn)行了扭矩測試，試驗結果見(jiàn)表3。

　　閥門(mén)扭矩測試數據

　　單面進(jìn)壓，檢測閥門(mén)執行機構輸出軸的扭矩

　　從以上數據得知：閥門(mén)的啟閉扭矩是隨著(zhù)壓力的增加而不斷增大的，當壓力達到公稱(chēng)壓力時(shí)，閥門(mén)的啟閉扭矩為300N·m，折算到閥桿上的扭矩值為2704N·m。經(jīng)計算，設計扭矩應為270N·m左右，實(shí)際操作扭矩遠大于設計扭矩。為了進(jìn)一步找到扭矩劇增的其他原因，特此對此閥門(mén)的關(guān)鍵零件進(jìn)行了尺寸檢測。

　?。?）零件尺寸檢測

　　ASCO電磁閥閥門(mén)解體后，用三坐標測量?jì)x分別對支撐板、閥體與連接體組件等關(guān)鍵零部件進(jìn)行了尺寸檢測，檢測數據見(jiàn)表4。 閥門(mén)關(guān)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

　　對檢測數據進(jìn)行分析得知，支撐板端面與連體端面存在較大間隙。上支撐板左邊間隙為1.53mm，右邊間隙為2.03mm；下支撐板左邊間隙為1.36mm，右邊間隙為2.17mm。

　　若支撐板端面與連接體止口端面間隙過(guò)大，則在介質(zhì)力的作用下，支撐板會(huì )發(fā)生移動(dòng)，將壓緊力傳遞到閥桿上，這樣會(huì )使閥桿承受很大的扭矩和剪切力。實(shí)踐證明：支撐板端面與連接體止口端面之間間隙在0.2～0.5mm時(shí)較為適宜。而此臺閥門(mén)支撐板與連接體止口端面的間隙遠遠超過(guò)0.5mm，在介質(zhì)力的作用下，閥桿會(huì )承受較大的扭矩。

　　4.結語(yǔ)

　　造成此臺管線(xiàn)球閥閥桿斷裂的主要原因有：支撐板端面與連接體止口端面之間存在過(guò)大的間隙，尺寸超差；閥桿材料的熱處理工藝不當，導致閥桿的強度、硬度均低于標準值。