摘　要：本文對(duì)一起直接作用式調(diào)壓器閥桿斷裂的現(xiàn)象進(jìn)行了描述，通過(guò)力學(xué)計(jì)算、專業(yè)檢測(cè)結(jié)果及相關(guān)分析，對(duì)產(chǎn)生的原因進(jìn)行了判斷，并提出了設(shè)計(jì)施工改進(jìn)的措施以及調(diào)壓器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化建議。

關(guān)鍵詞：大膜盤(pán)調(diào)壓器　閥桿　馬氏體不銹鋼　脆性斷裂　氯離子　晶間腐蝕

Analysis of a Direct Acting Pressure Regulator Valve Stem Fracture Problem

Abstract：In this paper,together with the direct-acting regulator stem fracture phenomena are described by mechanical calculations，test results and related professional analysis，carried out to determine the causes and proposed measures to improve the design and construction as well as the regulator optimization of the structure proposed．

Keywords：1arge diaphragm pressure regulator the valve stem  martensite stainless steel bridle fracture  chloride ion  intergranular corrosion

武漢市天然氣有限公司在對(duì)某住宅小區(qū)燃?xì)夤こ掏瓿煽⒐を?yàn)收后，正式通氣時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)置的區(qū)域調(diào)壓箱無(wú)法正常工作，箱內(nèi)的兩臺(tái)進(jìn)口調(diào)壓器都不能調(diào)壓，經(jīng)設(shè)備廠家初步判斷為調(diào)壓器閥桿斷裂，據(jù)設(shè)備廠家介紹，類似問(wèn)題在前幾年也曾發(fā)生過(guò)兩次，當(dāng)時(shí)設(shè)備廠家僅以自行更換閥桿的方式解決了問(wèn)題，沒(méi)有進(jìn)行相關(guān)分析。對(duì)此情況公司決定將其拆解分析，以期查明調(diào)壓器失效的真正原因，從根本上杜絕此類情況的再次發(fā)生。

1　拆解分析及施工項(xiàng)目背景調(diào)查

公司技術(shù)部門(mén)、施工管理部門(mén)會(huì)同施工方、設(shè)備廠家一起對(duì)調(diào)壓器進(jìn)行了拆解，經(jīng)過(guò)對(duì)兩臺(tái)調(diào)壓器進(jìn)行拆解，發(fā)現(xiàn)均為調(diào)壓器的閥桿斷裂，閥桿斷裂部位均在閥桿端部連接閥瓣的槽口處(見(jiàn)圖1)。

檢查閥瓣時(shí)，發(fā)現(xiàn)閥瓣的硫化橡膠閥墊上有明顯的壓痕損傷，可以判斷閥瓣與閥座發(fā)生較大沖擊而造成。

通過(guò)該施工項(xiàng)目建設(shè)情況的梳理，我們了解到：該項(xiàng)目的調(diào)壓箱及中壓支管、部分低壓管網(wǎng)已于兩年前安裝完成，中壓支管與供氣干管及調(diào)壓箱同期完成連接，天然氣已送至調(diào)壓箱閥前。本次是將剩余部分管網(wǎng)全部施工完成后，對(duì)調(diào)壓箱后的低壓管網(wǎng)重新進(jìn)行了強(qiáng)度和氣密性試驗(yàn)，強(qiáng)度試驗(yàn)壓力為0.15MPa，完成強(qiáng)度試驗(yàn)后，直接開(kāi)啟調(diào)壓箱出口閥門(mén)，將出口端的安全放散管作為泄壓排放口，并且當(dāng)時(shí)調(diào)壓器前閥門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài)，調(diào)壓器后閥門(mén)處于開(kāi)啟狀態(tài)，調(diào)壓箱前端的中壓支管已通入天然氣。

所有調(diào)壓器按要求出口端壓力應(yīng)小于入口端壓力，通過(guò)閥瓣軟密封閥墊上的壓痕可以推斷，調(diào)壓器出口端壓力過(guò)高可能是本次閥桿斷裂事件的主要原因，但0.15MPa的氣體壓力能否足以造成調(diào)壓器閥桿的拉斷，調(diào)壓器閥桿是否本身存在材質(zhì)缺陷，這需要進(jìn)一步分析驗(yàn)證。

2　調(diào)壓器的結(jié)構(gòu)犁式及閥桿材質(zhì)

該款調(diào)壓器為某進(jìn)口品牌，在我公司大量使用，其質(zhì)量和性能較為穩(wěn)定，一直沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)問(wèn)題。該款調(diào)壓器為大膜盤(pán)直接作用式調(diào)壓器，其連接口徑DN80，膜盤(pán)頭部直徑為書(shū)600，其結(jié)構(gòu)型式平衡閥芯式調(diào)壓器，閥瓣位于閥座下部，是典型的失效開(kāi)啟型調(diào)壓器，在主皮膜破裂或壓力信號(hào)管無(wú)壓力反饋時(shí)，閥口處于開(kāi)啟狀態(tài)。大膜盤(pán)調(diào)壓器的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)迅速、關(guān)閉精度高，由于大膜盤(pán)的作用，其關(guān)閉精度很高，當(dāng)下游壓力高于設(shè)定值時(shí)，閥口關(guān)閉密封性好，無(wú)流量泄漏。其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

該款調(diào)壓器的閥桿材質(zhì)為Xl2CrSl3，為歐洲EN標(biāo)準(zhǔn)的不銹鋼牌號(hào)，在德國(guó)DIN標(biāo)準(zhǔn)和意大利標(biāo)準(zhǔn)中均為Xl2CrSl3同一牌號(hào)，等同美國(guó)AISI標(biāo)準(zhǔn)中的416牌號(hào)不銹鋼，對(duì)應(yīng)我國(guó)國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)不銹鋼牌號(hào)是1Crl3。其為馬氏體型易切削不銹鋼，是不銹鋼中易切性能最好的鋼種，特別適用于自動(dòng)車床、數(shù)控車床批量生產(chǎn)，其成本低，性價(jià)比高，是調(diào)壓器、調(diào)節(jié)閥及閘閥閥桿的首選，在調(diào)壓器閥桿、閥座和閥瓣上有較多的應(yīng)用。

X12CrSl3不銹鋼通過(guò)熱處理可以調(diào)整其力學(xué)性能，粹火后硬度較高，不同回火溫度具有不同強(qiáng)韌性組合，與304和316不銹鋼相比，強(qiáng)度和切削加工性比304和316好，摩擦系數(shù)小，但耐腐蝕能力不如304和316不銹鋼。

經(jīng)查相關(guān)同牌號(hào)不銹鋼的資料，國(guó)內(nèi)對(duì)其材料化學(xué)成分要求見(jiàn)表1。

在資料中同牌號(hào)不銹鋼相應(yīng)常規(guī)的力學(xué)性能如下：

抗拉強(qiáng)度sb(MPa)：淬火回火，≥735

條件屈服強(qiáng)度s0.2(MPa)：淬火回火，≥540

伸長(zhǎng)率d5(％)：淬火回火，≥12

斷面收縮率y(％)：淬火回火，≥40

沖擊功Akv(J)：淬火回火，≥24

硬度：退火，≤235HB；淬火回火，≥217HB

3　閥桿受力計(jì)算及分析

調(diào)壓器閥桿在斷裂部位為中空的管式結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖3)，調(diào)壓器相關(guān)尺寸：皮膜片的直徑為500mm，則皮膜片的面積為S膜=196250mm²；斷裂處閥桿的外直徑為10mm，閥桿的內(nèi)孔直徑為5mm，則閥桿斷裂處的環(huán)形面積為58.875mm²。

當(dāng)膜盤(pán)下部承受的氣體壓力0.15MPa，膜盤(pán)受到向上的推力為29437.5N，該力作用在閥桿斷裂處產(chǎn)生的拉應(yīng)力通過(guò)計(jì)算為500MPa，該值接近于條件屈服強(qiáng)度540MPa，但遠(yuǎn)小于抗拉強(qiáng)度735MPa。

也就是說(shuō)在0.15MPa的氣體壓力條件下，調(diào)壓器閥桿可能會(huì)發(fā)生塑性變形，但不會(huì)斷裂。對(duì)調(diào)壓器閥桿材質(zhì)是否存在缺陷還需要通過(guò)相應(yīng)的檢測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)分析。

4　相關(guān)專業(yè)機(jī)構(gòu)的檢測(cè)結(jié)果及比對(duì)

公司將斷裂的閥桿委托給專門(mén)從事斷裂研究的專業(yè)實(shí)驗(yàn)室對(duì)斷裂面進(jìn)行了檢測(cè)分析，同時(shí)要求設(shè)備廠家也同時(shí)對(duì)另一根斷裂的閥桿進(jìn)行檢測(cè)分析。

我公司委托的專業(yè)斷裂實(shí)驗(yàn)室通過(guò)對(duì)調(diào)壓器的閥桿進(jìn)行斷口宏觀／微觀、閥柱材料成分進(jìn)行檢測(cè)分析判斷，主要檢測(cè)分析結(jié)果為：

(1)斷口部位微區(qū)能譜分析表明，閥桿試樣的化學(xué)成分與設(shè)備廠家提供的標(biāo)準(zhǔn)要求相符，并額外檢測(cè)出了Cl、Al、K、Na、Mg等元素，見(jiàn)表2。

(2)閥柱材料基體組織在掃描電鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)其橫截面上存在著較多mm級(jí)的孔洞，無(wú)韌窩產(chǎn)生，分析為晶間開(kāi)裂，判斷為脆性開(kāi)裂。

國(guó)外設(shè)備制造廠家對(duì)調(diào)壓器斷裂閥桿其它部位進(jìn)行了元素分析和力學(xué)測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表3。

抗拉強(qiáng)度為795MPa，條件屈服強(qiáng)度s0.2為704MPa。

設(shè)備廠家委托國(guó)內(nèi)材料研究所對(duì)一根新閥桿進(jìn)行了元素分析和力學(xué)測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表4。

抗拉力為54.3kN(端部螺紋拉脫，未拉斷)，折合抗拉強(qiáng)度要大于922MPa。

我們將3個(gè)機(jī)構(gòu)的元素分析結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)，結(jié)果非常相符相近，且符合標(biāo)準(zhǔn)要求。對(duì)應(yīng)于國(guó)外對(duì)該材質(zhì)在650℃溫度下回火處理后的抗拉強(qiáng)度范圍700MPa～1000MPa，條件屈服強(qiáng)度s0.2大于等于500MPa的要求，力學(xué)測(cè)試結(jié)果也為合格。

為慎重起見(jiàn)，我們又要求我公司委托的專業(yè)斷裂實(shí)驗(yàn)室對(duì)非斷口區(qū)域增補(bǔ)微區(qū)能譜分析，發(fā)現(xiàn)材料本體的非斷口區(qū)域無(wú)Al、Cl、K、Na、Mg等元素。

5　斷裂失效原因分析

通過(guò)查閱其它資料，我們了解到：馬氏體不銹鋼與調(diào)制鋼一樣，可以使用淬火、回火及退火處理，其力學(xué)性質(zhì)與調(diào)制鋼也相似，當(dāng)硬度升高時(shí)，抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度升高，而伸長(zhǎng)率、截面收縮率及沖擊功則隨著降低，馬氏體不銹鋼當(dāng)硬度增加時(shí)，則韌性減少。馬氏體不銹鋼的耐蝕性主要取決于鉻含量，而鋼中的碳由于與鉻形成穩(wěn)定的碳化鉻，又間接的影響了鋼的耐蝕性，lCrl3馬氏體不銹鋼因含碳較高，故具有較高的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，但耐蝕性稍差，其通過(guò)添加其它元素可以改善性能，例如加入S或Se改善切削加工性能，加入Mo及V可以增加其耐磨性及耐蝕性，加入約Mo、W和V可以提高其熱強(qiáng)性。銅的加入，對(duì)不銹鋼有強(qiáng)韌化作用，且隨銅含量的增加，不銹鋼的抗菌性能提高。

綜合我公司進(jìn)行的相關(guān)力學(xué)計(jì)算及一系列專業(yè)檢測(cè)分析，可以看出：調(diào)壓器閥桿材質(zhì)的元素成分和力學(xué)性能是與標(biāo)準(zhǔn)要求相符的，從閥桿的元素分析來(lái)看，其元素成分表明其為典型的1Crl3馬氏體不銹鋼，而且在其元素成分中加入了Mo及V而增加耐磨性及耐蝕性，并加入了Cu以提高其塑性、韌性和抗菌性能，但1Crl3馬氏體不銹鋼不耐氯離子的點(diǎn)腐蝕和縫隙腐蝕。

在斷口部位微區(qū)能譜分析檢測(cè)出了其它部位沒(méi)有的Cl、Al、K、Na、Mg等元素，這些元素的出現(xiàn)與材料的脆性斷裂存在著一定的必然關(guān)系，不銹鋼在氯離子存在下的環(huán)境中，腐蝕很快，甚至超過(guò)普通的低碳鋼，Cl、Al、K、Na、Mg等元素會(huì)以離子狀態(tài)存在的必要條件是有水和潮濕環(huán)境。

就Cl、Al、K、Na、Mg等元素如何會(huì)進(jìn)入到閥桿斷口部位的問(wèn)題，我們對(duì)組裝和施工的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行了進(jìn)一步排查分析：

(1)調(diào)壓器的裝配環(huán)節(jié)：國(guó)外工廠對(duì)不銹鋼閥桿有嚴(yán)格的檢測(cè)和安裝要求和程序，在裝配完成后的出廠檢驗(yàn)也是采用的干燥空氣進(jìn)行測(cè)試，沒(méi)有與Cl、A1、K、Na、Mg等元素接觸的機(jī)會(huì)。

(2)調(diào)壓器的運(yùn)輸環(huán)節(jié)：國(guó)外工廠對(duì)調(diào)壓器的包裝非常嚴(yán)謹(jǐn)，設(shè)備兩端除了安裝密封蓋以外，包裝箱內(nèi)還放有干燥吸附包，不存在Cl、Al、K、Na、Mg等元素進(jìn)入的可能。

(3)調(diào)壓箱的裝配環(huán)節(jié)：調(diào)壓箱國(guó)內(nèi)裝配環(huán)境為廠房?jī)?nèi)，調(diào)壓器拆箱安裝后，整體也是采用干燥空氣進(jìn)行壓力試驗(yàn)和調(diào)試，也不存在進(jìn)入的可能。

(4)調(diào)壓箱的現(xiàn)場(chǎng)安裝環(huán)節(jié)：根據(jù)了解，由于武漢市的地下水位較高，管道在施工過(guò)程中容易殘留較多水量，特別是PE管一般不設(shè)坡度且沒(méi)有設(shè)置凝水缸，調(diào)壓箱前的中壓支管排水一般都是通過(guò)調(diào)壓箱內(nèi)過(guò)濾器排污閥排出，這就使接觸了土壤顆粒的地下水進(jìn)入到了調(diào)壓器。

鎖定了環(huán)節(jié)后，還需對(duì)發(fā)生晶間腐蝕時(shí)間進(jìn)行復(fù)核，氯離子使馬氏體不銹鋼產(chǎn)生晶間腐蝕需要一定時(shí)間。該項(xiàng)目于兩年前已經(jīng)完成了調(diào)壓箱前中壓支管的連通進(jìn)氣，中壓支管當(dāng)時(shí)通過(guò)過(guò)濾器的排水造成了部分地下水在兩年前就進(jìn)入了調(diào)壓器內(nèi)，并滯留閥桿與閥座連接處，溶解地表及土壤中的Cl、Al、K、Na、Mg等元素殘存在閥桿斷裂處，由于沒(méi)有通氣，經(jīng)過(guò)兩年多時(shí)間，Cl氯離子在潮濕的條件下對(duì)該處閥桿形成了晶間腐蝕，閥桿斷裂橫截面上存在著較多mm級(jí)的孔洞就是點(diǎn)腐蝕和縫隙腐蝕得表現(xiàn)，所以在閥桿受力接近其屈服強(qiáng)度時(shí)就發(fā)生了脆性斷裂。

6　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)一系列的力學(xué)計(jì)算、專業(yè)檢測(cè)及相關(guān)分析，可以排除出調(diào)壓器閥桿缺陷的因素，主要原因?yàn)檎{(diào)壓器閥桿在潮濕環(huán)境內(nèi)受到氯離子的點(diǎn)腐蝕和縫隙腐蝕，受到非正常拉應(yīng)力而發(fā)生脆性斷裂。

完成檢測(cè)分析判斷后，我們對(duì)所有的施工單位發(fā)了通知：嚴(yán)禁通過(guò)調(diào)壓箱排水，以避免氯離子對(duì)不銹鋼閥桿造成晶間腐蝕的可能；禁止調(diào)壓器下游管道沒(méi)有完全隔斷的情況下對(duì)下游管道進(jìn)行壓力試驗(yàn)和壓力泄放，以避免調(diào)壓器閥桿的非正常受力。

通過(guò)以上一系列的分析也引發(fā)了我們的一些思考，需要完善我們的設(shè)計(jì)和施工工藝，以及優(yōu)化調(diào)壓設(shè)備的結(jié)構(gòu)：

(1)天然氣水露點(diǎn)較低，氣質(zhì)較干，管道上一般不設(shè)置凝水缸，目前管道材質(zhì)以PE管為主，因其柔性較大而不易控制坡度。對(duì)于地下水位較高的城市，一方面需要在施工過(guò)程中嚴(yán)格控制地下水的進(jìn)入，并且管道吹掃方式應(yīng)采用海綿清管器的清掃方式，以避免管內(nèi)殘存大量的水隨氣流積聚而堵塞管道；另一方面PE管的基礎(chǔ)處理要到位，設(shè)計(jì)中應(yīng)設(shè)計(jì)合理的坡度，使小口徑管道成一定坡度坡向大口徑管道，盡量減少積水隨氣流在小口徑管道內(nèi)積聚的可能。

(2)施工人員對(duì)調(diào)壓設(shè)備的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)應(yīng)進(jìn)行必要的學(xué)習(xí)了解，在安裝和施工環(huán)節(jié)時(shí)應(yīng)對(duì)調(diào)壓設(shè)備進(jìn)行有效的保護(hù)，避免其受到非正常的損害而失效。

(3)大膜盤(pán)調(diào)壓器南于膜盤(pán)面積較大而對(duì)壓力變化較為敏感，其結(jié)構(gòu)還可以進(jìn)一步完善和優(yōu)化。當(dāng)調(diào)壓器下游壓力上升太快，閥瓣容易與閥座發(fā)生較大磕碰沖擊，閥瓣的軟密封閥墊易受損傷而造成閥口關(guān)閉不嚴(yán)，在大膜盤(pán)調(diào)壓器上蓋可以增加對(duì)膜盤(pán)上移的限位裝置以及在反饋信號(hào)管上安裝阻尼閥的方式，可以減少膜盤(pán)下方壓力上升較快時(shí)對(duì)閥桿產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力以及閥瓣與閥座磕碰沖擊力。

(4)暗桿閘閥的閥桿也多采用馬氏體不銹鋼，暗桿閘閥的閥桿會(huì)直接與介質(zhì)接觸，建議在地下水位較高的南方地區(qū)，管道關(guān)斷閥門(mén)宜選用平板閘閥或明桿閘閥，而不要選用暗桿閘閥，避免管道中的含氯離子的水質(zhì)造成閥桿的晶間腐蝕。

本文作者：肖嵩　王彥馨　徐琦宏　聶隆梅　周博吳

作者單位：武漢市天然氣有限公司