地下井室內燃氣放散管黃銅球閥閥體裂紋成因分析
絲扣黃銅球閥因其具有耐腐蝕性、美觀性、易加工成形性、可鍍層裝飾性、經濟性和體積小巧等特點，在燃氣小口徑管道上有著廣泛的應用。我公司一直在小于DN50燃氣管道上使用國內某品牌的絲扣黃銅球閥，從使用性能以及對廠家的定期監檢上來看，其質量較為穩定可靠。
1、問題表現
近期接到公司管網運行部門的反饋，反映在我公司閥門井室燃氣放散管上黃銅球閥閥體出現裂紋漏氣，而且數量呈逐步增多的趨勢。通過調閱管線所上報的管網泄漏統計及分析資料發現從公司要求進行管網泄漏統計報表制度以來，每個月都有十多例的黃銅球閥閥體裂紋泄漏情況發生，在對問題黃銅球閥分布和安裝位置統計數據分析時，發現出現閥體龜裂的90%以上都出現在閥門井室燃氣放散管和凝水缸放散管上的球閥絲口部位裂紋破損，而安裝在登高管上的黃銅球閥僅有幾例，分析原因為地面沉降造成管道橫向位移將球閥絲扣部分拉裂引起。
2、產品情況
2.1、原料狀況
通過廠家了解到閥體材料為鉛黃銅，牌號為HPb59-1，屬加工黃銅范圍，其為加鉛的銅鋅合金，按其組織為α+β兩相黃銅，在高溫下具有較好的塑性，可進行鍛造。
根據《加工銅及銅合金化學成分和產品形狀》(GB/T5231-2001)規定HPb59-1主要成分見表1。
表1 加工黃銅HPb59-1化學成分
鉛黃銅冷熱壓力加工性好，其鉛含量為0.8%～1.9%，在黃銅中溶解度僅為0.4%，而常以純鉛相存在，呈點狀分布，這些鉛質點的潤滑和減磨性能使鉛黃銅的切削性優良，切屑易碎，工件表面光潔，適宜熱鍛和自動高速車床加工，是閥門中較為常用的銅合金，其鋅含量大于等于37%。
2.2、產品狀態
絲扣黃銅球閥閥體為銅棒經熱鍛壓成型，待拋丸處理后，再進行車削金加工。閥體兩端連接管道的絲扣為柱螺紋型式。
3、原因判斷與排除
3.1、產品質量問題
我公司已安裝使用了上百萬個該品牌的絲扣黃銅球閥，出現閥體龜裂的數量僅為幾百個，所占比例非常小。從拆除的問題閥門生產的時間上看，也較為分散，分別有：2004年、2007年、2009年及2011年的產品，不是表現在某個批次上的問題。
生產廠家對每批次原料都會進行抽檢，對產品有嚴格的裝配、試驗和干燥和完工檢驗程序，如果在生產制造過程中發生問題，在其中任何一個環節都會被發現。
3.2、安裝質量問題
過去發現黃銅球閥絲扣裂紋時，原來總是判斷放散管閥門絲堵頂部與井蓋之間的間距過小，在車輛碾壓時井蓋變形將車輛的動荷載轉遞到黃銅球閥閥體，引起絲扣部分受橫向力而炸裂。而我公司早已規范了放散閥與井蓋之間的凈距要求，基本上可以排除上述原因。
問題閥體分布位置較為集中，主要地下井室內，其它地面以上安裝的閥門很少出現問題，鍍鋅管端部絲扣都是由統一的機械套絲機加工完成，個別搶維修時出現需要手工套絲機進行錐螺紋加工情況時，可能存在絲扣加工精度不高，對閥體絲扣張力過大的情況。
我們要求生產廠家對不同批次的閥門進行了扭力測試，在對DN20的黃銅球閥絲扣端旋入管錐螺紋時，當扭力為200Nm時，球閥絲扣端發生形變脹大，未出現裂紋，當施加扭力達300Nm時，絲扣端進一步形變脹大，仍未出現裂紋，表現出黃銅良好的延展性能。
3.3、電化學腐蝕和應力腐蝕問題
通過與廠家技術人員溝通，并查閱了相關資料后我們了解到黃銅產品電化學腐蝕和應力腐蝕方面會表現為脫鋅和季裂兩種形式：
(1)黃銅產品在大氣和淡水中具有良好的抗腐蝕性能，但在中性鹽類溶液極易發生電化學腐蝕，即黃銅的脫鋅現象。其表現形式有均勻的層狀脫鋅和不均勻的帶狀或栓狀脫鋅兩種，其結果是前者的合金表面層變為力學性能脆弱的銅層，強度下降;后者脫鋅的腐蝕產物為喪失強度的疏松多孔的銅殘渣，容易早期穿孔。
(2)而黃銅產品在潮濕環境存放期間會產生自動破裂的現象，也叫黃銅的季裂，是黃銅失效應力腐蝕破壞(SCC)的形式之一。有殘余內應力的黃銅制品，長期存放于含氨氣或二氧化硫等介質中，會產生沿晶或穿晶破裂;而受拉應力的黃銅在淡水、高溫高壓水和蒸汽以及一切含氨(或NH4+)的介質中，都可能發生應力腐蝕破裂。
我們與生產廠家技術人員一同對拆除下來的黃銅球閥破損部位進行了驗查，大部分裂紋細小，不經打磨，肉眼不易分辨，裂紋起始于絲扣連接的端面，其走向垂直絲扣并向閥體中部延伸，絕大部分閥體外表面有銅綠銹蝕，打磨露出黃銅本色，未發現脫鋅現象。由于我公司發生裂紋泄漏的球閥在安裝完成一段時間內沒有出現問題，均為安裝運行兩年以上時間發生，而且發生的季節以冬季和夏季居多。根據以上情況，初步判斷黃銅球閥閥體裂紋是季裂的表現。
據了解即使是微量的氨也能使受拉應力的黃銅產生應力腐蝕破裂，水分或濕氣、O2、SO2、CO2和氰等物質都會加速破裂。黃銅含鋅量少于20%在自然環境中一般不產生應力腐蝕破裂，含鋅量大于20%的，含鋅量愈高應力腐蝕破裂敏感性愈大。
4、發生季裂的原因分析
絲扣黃銅球閥要發生季裂，必須具備三個條件：應力、潮濕環境和NH3或SO2等介質。
4.1、殘余應力和附加應力的產生
根據廠家提供的生產工藝流程圖可以知道：黃銅棒材經過下料、鍛壓、金加工、裝配完成，在其金加工程序后，沒有進行退火處理工序。黃銅球閥閥體冷加工后存在的殘余應力沒有被消除。
黃銅球閥的絲扣是柱螺紋形式，而鍍鋅管的絲扣為錐螺紋形式，在錐螺紋與柱螺紋套配時，錐螺紋會對球閥絲扣端施加一個脹擴的附加拉應力。因沒有配備扭力扳手，施加的拉應力還會受到鍍鋅管絲扣加工精度、聚四氟生料帶纏繞厚度及旋緊扭矩大小因素的影響變化。可以推斷黃銅球閥的絲扣端部有少量殘余應力和較大的附加應力存在，當內應力與工作應力疊加，會過早地使閥體產生微裂紋。
4.2、外部潮濕環境條件的形成
武漢地處南方，多雨，地下水位偏高，井室內易積水，井室內環境較為潮濕。銅在與大氣、水等接觸時，反應生成難溶于水的堿式硫酸銅CuSO4•3Cu(OH)2和堿式碳酸銅CuCO3•Cu(OH)2薄膜，又稱“銅綠”。問題閥門的絕大部分閥體外表面有銅綠銹蝕，也說明了這個問題。
4.3、NH3或SO2等介質的來源
4.3.1、NH3介質的可能來源
(1)NH3來自市政道路施工中使用的混凝土外加劑，特別是在冬季施工過程中，在混凝土中加入尿素(CO(NH2)2)和NH3•H2O為主要原料的混凝土防凍劑，這些含有大量氨類物質的外加劑會隨著溫濕度等環境因素的變化而還原成NH3從道路混凝土中緩慢釋放出來，造成井室內空氣中NH3的含量大量增加。
(2)與燃氣井室相近的污水管和污水井室內的氨氣通過土壤的滲透進入燃氣井室。
4.3.2、SO2介質的可能來源
(1)天然氣成分中H2S的影響。由于民用燃氣為二類天然氣，其中H2S含量小于20mg/m3，因此HPb59—1鉛黃銅在安裝于民用燃氣管路未端的閥門中也被普遍采用。一方面不是能接觸到天然氣中H2S成分的閥體部位，連接絲堵端部位要比鍍鋅管端的機會更大，但發生裂紋的位置常發生在與鍍鋅管一端，而非絲堵一端。由于天然氣中H2S含量較低，而且從裂紋發生的位置來判斷，天然氣成分中H2S的影響可能有，但不會太大。
(2)汽車尾氣。汽車尾氣主要污染物為CxHy、NOx、CO、SO2、含鉛化合物、苯丙芘及固體顆粒物等。目前北京、上海、廣州、深圳和南京等五個城市的汽油和柴油均執行國四標準，汽油中的硫含量小于5.0×10-5/kg，武漢市在2013年7月1日前執行國三標準，硫含量不得大于1.5×10-4/kg，汽車尾氣中SO2含量較高，在下雨時部分溶解在水中會隨雨水流入井室。
通過分析，燃氣井室內的黃銅球閥完全具備有黃銅季裂的條件，可以判斷地下井室內燃氣放散管黃銅球閥閥體裂紋的成因為季裂。
5、解決的措施及建議
通過分析后，我公司從以下幾個方面提出了相關解決的措施及建議。
5.1、材料的材質
為避免黃銅自裂，一般黃銅冷加工制品或半制品，會采用在黃銅中加人0.02%~0.06%砷(As)或1.0%~1.5%硅(Si)能明顯降低其自裂傾向，在黃銅中加入鋁、鎳、錫也能減輕應力腐蝕破裂。通過對黃銅原料添加元素而減小自裂傾向，會提高整體黃銅球閥原材料的采購成本，考慮到用在井室放散管上的黃銅球閥用量與在用戶表前閥和尾閥數量相比較小，不考慮采用。
5.2、生產應力的消除
可以對黃銅冷加工制品或半制品進行低溫(260~300℃)退火來消除制品在冷加工時產生的殘留內應力。將我公司用于地下井室內燃氣放散管黃銅球閥改為另一種閥體經過低溫退火處理的黃銅球閥牌號，以消除閥體加工殘余應力。
5.3、安裝附加應力的控制
黃銅球閥絲扣端為柱螺紋，鍍鋅鋼管端部加工為錐螺紋，錐螺紋旋入柱螺紋時，本身會對閥體產生附加應力。采用螺紋環規量具對鍍鋅鋼管端部錐螺紋進行抽檢，確保采用機械套絲機和手工絲板對錐螺紋的加工精度，在規定的旋入螺紋進絲深度要求下，減少錐螺紋尺寸加工偏差造成的額外附加應力。
5.4、對季裂環境的隔離
建議在平時不使用放散閥時，對地下井室內燃氣放散管黃銅球閥采用透明塑料袋進行包裹封扎，一方面可以隔離潮濕環境保護黃銅球閥，另一方面也可以隔離氨氣和二氧化硫等介質與黃銅球閥的接觸。
6、結語
黃銅球閥閥體裂紋泄漏的現象可能在許多有類似應用的燃氣企業都存在，我們將逐步落實相關措施，并跟蹤后期的效果，這種問題也提示我們對每一種燃氣設備和材料的應用還需要對不同的環境條件適用性進行相應的評估。
