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軌道球閥綜合了球閥、閘閥和截止閥的結(jié)構(gòu)特點，具有閥門啟閉時密封面無摩擦和操作扭矩低等優(yōu)點，在煤化工系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。某煤制油公司制氫裝置膜分離系統(tǒng)的空壓機(jī)管道上應(yīng)用的國外進(jìn)口手動軌道球閥，其規(guī)格為NPS8，壓力等級Class1500，工作壓力19.5MPa，閥桿為分段式結(jié)構(gòu)。在空壓機(jī)檢修時需要對閥門進(jìn)行操作，但閥門開啟或關(guān)閉階段均發(fā)生過閥桿斷裂現(xiàn)象。
2 問題分析
軌道球閥啟閉過程中，閥桿既受旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jié)果。
1.上閥桿2.防轉(zhuǎn)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(xué)性能測試
圖3 金相組織圖
考慮到取樣為閥桿內(nèi)部和熱處理的淬透性，結(jié)合ASTMA276標(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(jīng)過分析，確定損壞的下閥桿材料為淬火處理的420。
表4 ASTMA276規(guī)定的420熱處理條件
根據(jù)閥桿斷裂缺口形狀（圖4）分析，斷裂處屬于應(yīng)力集中區(qū)域，該處結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包括內(nèi)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(zhuǎn)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(qiáng)度達(dá)1200MPa以上，因此結(jié)構(gòu)上應(yīng)力集中和材料的強(qiáng)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(zhì)，其中氫氣含量約50%，硫化氫含量約0.2%。結(jié)合分析結(jié)果，閥桿失效的主要原因是由于氫致裂紋 （HIC）和硫化物應(yīng)力開裂（SSC）所致。
氫致裂紋是由于鋼材在高溫高壓氫氣環(huán)境下操作時，氫氣擴(kuò)散侵入鋼材中，當(dāng)冷卻過程中，由于氫來不及從鋼材中向外釋放，鋼材內(nèi)就會吸入一定的氫，從而引發(fā)裂紋。硫化物應(yīng)力開裂是含H2S的酸性環(huán)境，當(dāng)一種易受影響材料的表面與酸性氣體接觸時，H2S分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成金屬硫化物和氫原子，氫原子在應(yīng)力zui高的裂紋端擴(kuò)散到材料，晶格、晶格表面以及晶界上氫氣的擴(kuò)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(kuò)展。
軌道球閥閥桿斷裂具備了氫致裂紋和硫化物應(yīng)力開裂發(fā)生的3個條件，即應(yīng)力、介質(zhì)和材料。
①閥桿斷裂處結(jié)構(gòu)復(fù)雜，應(yīng)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(zhì)接觸，而且介質(zhì)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(jīng)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(jīng)產(chǎn)生裂紋，一旦對閥門進(jìn)行操作，即造成閥桿損壞，與軌道閥門在開關(guān)時發(fā)生閥桿斷裂的情況吻合。
4 解決方案
結(jié)合閥桿的強(qiáng)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(jié)構(gòu)。上閥桿結(jié)構(gòu)簡單，采用420材料能滿足使用要求。下閥桿結(jié)構(gòu)復(fù)雜，材料采用17－4PH。此方案的優(yōu)點是成本較低，加工方便，裝配簡單。②將閥桿設(shè)計為一體式結(jié)構(gòu)（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(nèi)螺紋退刀槽和防轉(zhuǎn)銷孔對閥桿強(qiáng)度削弱的影響，閥桿的整體性能得到提高。
