钛材截止阀阀杆断裂失效分析

张二龙，殷莹，杨永良

钛材截止阀是化工管路中的重要元件，在管路中起截断或导通流体介质的作用。某化工厂钛材截止阀在使用过程中出现阀杆断裂，导致此阀门无法正常使用，为此该化工厂特委托我公司对该阀门进行维修。为了找到阀杆断裂的主要原因，进行了以下分析。

1.主要技术参数

公称通径为DN200，工作压力为1.0MPa，工作温度为120℃，工作介质为烧碱溶液，阀体材质为ZTA2，阀杆材质为TC4。

2.断口宏观分析

断裂位置如图1所示。阀杆断口宏观照片如图2所示，阀杆断裂位置在连接阀瓣的接触面处。在垂直于断口的阀杆外表面，断口齐平，表面光亮，有脆性断裂的痕迹。在垂直于断口的阀杆心部，断口呈暗灰色，局部有塑性变形的痕迹。

3.材质分析

图1 阀杆断裂位置示意

在阀杆断口处附近取样，对阀杆的化学成分、力学性能、金相组织检测并在扫描电子显微镜下进行测试分析。

（1）化学成分 阀杆的化学成分分析结果见表1，可见阀杆的化学成分符合标准规定。

图2 阀杆断口宏观照片

（2）力学性能 阀杆的力学性能分析结果见表2。由表2可见，Rm、Rp0.2均高于标准值，而A、Z均低于标准值。

（3）金相分析 金相试样是从阀杆断口处附近取样，用氢氟酸、硝酸侵蚀，在NEOPHOT21型显微镜下观察分析，分析结果如图3所示，评定结果为α+β型钛，组织稍有带状倾向。

（4）扫描电子显微镜分析 在断裂阀杆上沿裂纹取一断口，将其置于扫描电子显微镜下进行观察，结果如图4～图7所示。图4为靠近工件表面断口低倍形貌，右侧为工件表面，可以清楚地看到该处的断口为沿晶断裂，说明在热处理过程中有氢元素渗入，以致产生氢脆。在该照片中间会看到有一带状分布的非金属夹杂物。图5为夹杂物的放大照片。用能谱仪对该夹杂物进行成分分析，发现含氧（SiO2）、铝（Al2O3）、钇（Y）。图6、图7为靠近心部的断口放大照片，但依然可清楚地看到基体中含有非金属夹杂物，断口可见韧窝，断口为延性断裂。

4.分析与讨论

从阀杆的结构设计上来看，大小直径之间未做圆角过渡处理，产生了应力集中。从阀杆材质的分析来看，阀杆材质中有夹杂物，纯净度差。从阀杆的力学性能分析来看，阀杆的塑性指标远低于标准要求，从而进一步降低了阀杆的承载能力。从断口分析来看，阀杆就是在应力集中效应和冲击载荷共同作用下，首先阀杆靠近外表面处发生了沿晶断裂，其次心部发生了延性断裂。

5.结语

改进阀杆的结构设计，对大小直径相交处应做圆角过渡处理，以减小应力集中。对阀杆的热处理工艺方法进行改进，采用在真空或惰性气体保护下渗氮，以减少氢的渗入。对阀杆材料进行严格检验，确保阀杆的材质符合技术要求。

图3

表1 TC4的化学成分（质量分数） （%）

表2 TC4的力学性能试验结果

图4

图5

图6

图7