軌道球閥閥桿失效分析及其結構改進方案
探討了軌道球閥分段式閥桿斷裂原因，分析了失效閥桿的光譜、金相以及硬度檢測結果，提出了適合閥門實際工況的解決方案。
1、概述
軌道球閥綜合了球閥、閘閥和截止閥的結構特點，具有閥門啟閉時密封面無摩擦和操作扭矩低等優點，在煤化工系統中得到廣泛的應用。某煤制油公司制氫裝置膜分離系統的空壓機管道上應用的國外進口手動軌道球閥，其規格為NPS 8，壓力等級Class 1 500，工作壓力19. 5MPa，閥桿為分段式結構。在空壓機檢修時需要對閥門進行操作，但閥門開啟或關閉階段均發生過閥桿斷裂現象。
2、問題分析
軌道球閥啟閉過程中，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. 上閥桿2. 防轉銷3. 下閥桿
圖1 軌道球閥閥桿組合件
圖2 下閥桿損壞形貌
表1 各元素檢測值Wt %
表2 硬度檢測HRC
表3 力學性能測試
圖3 金相組織圖
考慮到取樣為閥桿內部和熱處理的淬透性，結合ASTM A276 標準規定的熱處理要求( 表4) ，可以判斷閥桿的熱處理工藝為淬火處理。經過分析，確定損壞的下閥桿材料為淬火處理的420。
表4 ASTM A276 規定的420 熱處理條件
根據閥桿斷裂缺口形狀( 圖4) 分析，斷裂處屬于應力集中區域，該處結構復雜，包括內螺紋退刀槽、外軌道槽的斜面部分以及上下閥桿連接的防轉銷孔。然而軌道球閥操作扭矩只有普通球閥的1 /4甚至更低，而所測閥桿材料抗拉強度達1 200MPa 以上，因此結構上應力集中和材料的強度不夠并不是造成閥桿斷裂的主要原因。
圖4 閥桿斷裂面
3、工況分析
閥門工況條件為氫氣和硫化氫等混合性介質，其中氫氣含量約50%，硫化氫含量約0. 2%。結合分析結果，閥桿失效的主要原因是由于氫致裂紋( HIC) 和硫化物應力開裂( SSC) 所致。
氫致裂紋是由于鋼材在高溫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，氫原子在應力最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。
軌道球閥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閥桿斷裂處結構復雜，應力集中。②閥桿密封填料位置處于軌道槽上部，即閥桿斷裂部分長期與介質接觸，而且介質為高壓氫氣和硫化氫等混合物。③420材料是一種馬氏體不銹鋼，經過淬火處理后其伸長率和收縮率過小，脆性高，材料硬度過高而韌性不足。因此，閥門使用一段時間后，閥桿已經產生裂紋，一旦對閥門進行操作，即造成閥桿損壞，與軌道閥門在開關時發生閥桿斷裂的情況吻合。
4、解決方案
結合閥桿的強度要求和閥門的使用工況，可采用兩種解決方案。①保留原有閥桿結構。上閥桿結構簡單，采用420 材料能滿足使用要求。下閥桿結構復雜，材料采用17 - 4PH。此方案的優點是成較低，加工方便，裝配簡單。②將閥桿設計為一體式結構( 圖5) ，即將上下連接的閥桿改為整體制造，閥桿材料選用17 - 4PH。雖然整體閥桿加工難度略有增加，但是不受內螺紋退刀槽和防轉銷孔對閥桿強度削弱的影響，閥桿的整體性能得到提高。
圖5 整體閥桿
2種方案材料的控制都按照NACE MR0175 的要求執行。
(1) 420 材料硬度控制在≤22HRC，材料的熱處理程序分3 步進行。①奧氏體化和淬火后空冷。②最小溫度達到621℃ 回火，然后冷卻到環境溫度。③最小溫度達到621℃回火，但低于第一次回火溫度，然后冷卻到環境溫度。
(2) 17 - 4PH 材料硬度控制在≤33HRC，并采用雙重時效硬化熱處理。①在1 038 ± 14℃固溶退火，空冷或液體淬火到32℃以下。②在760 ± 14℃進行第一次沉淀硬化，保溫至少2h，空冷或者液體淬火到32℃以下。③在621 ± 14℃進行第二次沉淀硬化，保溫至少4h，空冷或者液體淬火到32℃以下。
5、結語
改進后的閥桿保證了軌道球閥在含硫化氫工況下的長期有效運行。閥門設計和制造時，應根據實際使用工況，尤其是在苛刻工況下，作出一些有針對性的差異設計，嚴格遵照相關標準或高于標準執行，才能滿足實際需要和客戶要求。
