某截止阀开裂原因分析

邱康勇, 吴继权, 贺 艳

(深圳市特种设备安全检验研究院， 深圳 518029)

截止阀是一种强制密封式阀门，又称截门阀。当截止阀关闭时，需要向阀瓣施加压力，以确保密封面不泄漏。截止阀可用于控制空气、水、蒸汽、腐蚀性介质、泥浆、油品和液态金属等各类流体的流动。某公司液化石油气储罐管路用截止阀在进行水压试验时发生开裂导致泄漏，该截止阀为日本进口阀门，由截止阀表面标识可知,材料为FCD-S球墨铸铁，公称压力为PN20(2.0 MPa)，公称直径为DN80 mm，使用时间约为10 a(年)，使用压力为1.0 MPa(最高不超过1.4 MPa)，使用温度为常温。在设备检修时操作人员对该截止阀进行水压试验,先关闭阀门，让水介质从阀门进口进入，逐步升压到2.2 MPa后保压10 min，之后降压到2.0 MPa后保压10 min，当继续降到1.8 MPa后保压时，发现该截止阀阀体与法兰连接处有水迹，阀门发生泄漏。水压试验持续时间为1 h。为查明该截止阀开裂的原因，笔者对其进行了理化检验与分析。

1 理化检验

1.1 宏观观查

宏观观查发现，该截止阀表面白色油漆局部脱落。油漆脱落部位的底层可见银色防锈漆。截止阀开裂处位于截止阀进口侧法兰以及法兰与阀体的连接处，如图1a)和图1b)所示。在裂纹附近阀体局部表层白色油漆和里层防锈漆发生脱落后出现锈迹，法兰局部区域同样也有表层白色油漆和里层防锈漆脱落并出现锈迹。法兰与阀体的连接处外裂纹长度约占整个圆弧面的80%，裂纹为深棕色，呈陈旧裂口形貌[1]，阀体宏观未见明显变形。由图1c)可见，法兰3个螺栓孔处存在明显裂纹， 6个螺栓孔均出现不同程度的锈蚀，半边法兰出现变形，法兰与阀体的连接处(截止阀进口端内壁靠近边沿处)可见一条细小的裂纹，法兰与阀体的连接处内裂纹长度约占整个圆弧面的1/3,法兰内壁局部存在大小不一的凹坑。

将截止阀法兰面对半切开。由图1d)可见，裂纹已贯穿整个横截面，为穿透性裂纹。由图1e)可见，横截面处裂纹由外向里扩展，未形成穿透性裂纹。沿穿透性裂纹将断口打开，如图1f)所示。可见该断口颜色分层，外层呈深棕色，内层呈暗黑色。

图1 失效截止阀的宏观形貌Fig.1 Macro morphology of failure cut off valve: a) crack at flange; b) external crack at the joint of flange and valve body; c) internal crack at the joint of flange and valve body; d) penetrating crack; e) nonpenetrating crack; f) open fracture along penetrating crack

1.2 金相检验

在截止阀的阀体与法兰连接处截取横截面试样，试样经镶嵌、打磨及抛光后，采用Axio Scope.A1型光学显微镜观察阀体、法兰以及裂纹处的显微组织。由图2可见，阀体、法兰的显微组织中有黑色片状石墨，无明显缩孔等缺陷[2]，阀体、法兰以及裂纹两边的显微组织无明显差异。根据GB/T 7216—2009《灰铸铁金相检验》，可知上述显微组织中石墨均呈C型分布，石墨长度为2～3级。

采用体积分数为4%的硝酸酒精溶液对上述试样浸蚀后，采用Axio Scope.A1型光学显微镜进一步观察阀体、法兰以及裂纹处的显微组织。由图3可见，阀体和法兰的显微组织为铁素体+片状石墨+少量珠光体[3]，裂纹两边的显微组织无明显差异，未发现明显的焊缝组织，阀门为整体铸造成型。根据GB/T 7216—2009，可知珠光体含量小于45%，珠光体级别为8级。

1.3 硬度测试

在截止阀的阀体和法兰上沿内壁到外壁的方向取5个试样，试样经打磨、抛光后，采用NEXUS 3200型布氏硬度计进行布氏硬度试验，结果如表1所示。可见阀体与法兰的硬度差异较小。

表1 截止阀不同部位的硬度测试结果Tab.1 Hardness test results of different parts of cut off valve HBW2.5/187.5

1.4 断口分析

在穿透性裂纹打开的断口处取样，采用SU-1500型扫描电镜(SEM)进行观察。由图4a)可见，断口表面有大量覆盖物。采用扫描电镜附带的能谱仪(EDS)对该覆盖物进行微区成分分析，分析位置和分析结果如图4所示。可见断口覆盖物主要为铁的氧化物，未见明显的腐蚀性元素。将上述断口进行清洗和干燥后取样，采用SU-1500型扫描电镜观察试样的微观形貌。由图5可见，断口裂纹源区呈解理形貌。由图6可见，断口最后断裂区呈扇形解理形貌[4]。

图2 截止阀不同部位浸蚀前的显微组织Fig.2 Microstructure of different parts of cut off valve before erosion:a) valve body; b) flange; c) crack 1; d) crack 2

图3 截止阀不同部位浸蚀后的显微组织Fig.3 Microstructure of different parts of cut off valve after erosion:a) valve body; b) flange; c) crack 1; d) crack 2

图4 断口SEM形貌、EDS分析位置及EDS分析结果Fig.4 a) SEM morphology, EDS analysis position and b) EDS analysis results of fracture

图5 断口裂纹源区的SEM形貌Fig.5 SEM morphology of fracture initiation area

图6 断口最后断裂区的SEM形貌Fig.6 SEM morphology of final fracture area of fracture

2 分析与讨论

由宏观观查结果可知，截止阀断口颜色分层，外层呈深棕色，内层呈暗黑色，这表明截止阀裂纹不是一次形成的，结合法兰横截面的宏观形貌可知，裂纹是由外向内扩展的。

由金相检验结果可知，法兰和阀体的显微组织为灰铸铁组织形貌，且石墨呈C型分布，石墨长度为2～3级。石墨形态对铸铁的力学性能有很大的影响，该截止阀显微组织中石墨呈C型分布且长度较长，导致材料的力学性能显著下降。法兰和阀体基体的显微组织为铁素体，只有少量珠光体沿着条状石墨边沿分布，这造成材料的韧性下降[5]。截止阀材料为灰铸铁，这与阀门表面球墨铸铁的标识不符。

JB/T 5300—2008《工业用阀门材料 选用导则》关于灰铸铁制阀门有如下规定：用于公称压力不大于PN16(1.6 MPa)，温度为-10～100 ℃的油类、一般性质的液体介质；用于公称压力不大于PN10(1.0 MPa)，温度为-10～200 ℃的蒸汽、一般性质气体、煤气、氨气等介质。由于失效截止阀使用介质为液化石油气，日常使用压力约为1 MPa(最高不超过1.4 MPa)，且阀门的公称压力为PN20(2.0 MPa)，所以灰铸铁截止阀不适合用于该液化石油气管路。

此外，阀体与法兰的显微组织无明显差异，同时两者之间未见焊缝组织，由此可推断该截止阀为整体铸造成型，法兰与阀体之间无焊接。由硬度测试结果可知，阀体和法兰的硬度基本一致，与金相检验结果一致。

由断口分析结果可知，断口上有一层覆盖物，该覆盖物主要为铁的氧化物，未见明显的腐蚀性元素，由此可推断截止阀断口以氧腐蚀为主。截止阀开裂于阀体与法兰连接处，该区域为应力集中区域。裂纹源区以解理形貌为主，最后断裂区为扇形解理形貌，这表明腐蚀是在截止阀开裂之后发生的，与阀门开裂无直接关系。裂纹在阀体与法兰连接处应力集中位置萌生，并由外向内扩展，最终在较大的应力作用下发生穿透性开裂。

3 结论及建议

截止阀的法兰和阀体材料为灰铸铁，与阀门表面标识不符。灰铸铁中石墨呈C型分布，且石墨长度较长，造成材料的力学性能较差；同时截止阀基体组织为铁素体，只有少量的珠光体沿着条状石墨边沿分布，造成材料的韧性下降。裂纹在阀体与法兰连接部位的应力集中处萌生，并由外向内扩展，最终在较大应力作用下形成穿透性开裂，造成阀门泄漏。

建议对同批次、同型号的阀门进行排查和更换，截止阀在投入使用前要加强质量检验，防止引发泄漏事故。