高压防爆电磁阀轴销与螺钉断裂原因剖析

曹海平

中国石油长庆油田分公司技术监测中心(陕西西安710018)

高压防爆电磁阀轴销与螺钉断裂原因剖析

曹海平

中国石油长庆油田分公司技术监测中心(陕西西安710018)

通过受力分析、断口分析、化学成分分析及金相检验等方法，从宏观力学及微观机理分析了电磁阀阀杆轴销与螺钉断裂的原因。结果表明，造成轴销断裂的原因是电磁阀关闭不当，螺钉断裂的原因是电磁阀试验过程中螺钉承受较大的轴向载荷。

高压防爆电磁阀;轴销;螺钉;断裂

电磁阀是气田开发中井口生产管线上常用的一种自动控制装置，接受控制信号后实现开启和关闭，从而对管道中的流体介质进行控制。

某厂生产的型号为ZD-80/25-E，通径80mm，压力25MPa高压防爆电磁阀共20只，按照合同约定在进行阀门入库质量检验时，有2只电磁阀密封试验中各有一M8mm×30mm的螺钉断裂(图1)，有4只电磁阀密封试验后无法正常启闭。

为了解事件的原因，对不合格的6只电磁阀进行解体检查，发现每只电磁阀中均有一Φ6mm× 55mm的轴销断裂(图2)。慎重起见，又对测试合格的电磁阀进行复查，发现有8只电磁阀轴销断裂，此事引起使用单位的高度重视，要求通过分析找出断裂原因。

图1 螺钉断裂部位图

图2 轴销断裂部位图

1 检验方法及结果

1.1 断口宏观分析

原始轴销和断裂轴销宏观形貌(图3)，从图3观察，断裂轴销分3部分，没有明显的伸长或弯曲，无缩颈，断口平齐而光亮，有金属光泽，属于脆性断裂。

原始螺钉和断裂螺钉形貌(图4)，从图4观察，螺钉断裂部位距端部8mm，断口表面无裂纹和夹渣物，最终撕裂在中间部位，初步判定螺钉是被拉断的。

1.2 化学成分分析

为了确认螺钉和轴销的材质成分，采用电火花直读光谱仪对螺钉和轴销进行成分测试，轴销Φ6mm×55mm的化学成分见表1(质量分数)，符合GB/T 699-2008《优质碳素结构钢》标准中45钢的技术要求［1-2］，内六角螺钉M8mm×30mm的化学成分见表2(质量分数)，符合10B33材料的技术要求，与制造厂提供的材质证明书相符。

图3 轴销宏观形貌

图4 螺钉宏观形貌

1.3 金相分析

对断裂的螺钉和圆轴销断口处分别取试样，抛光经4%硝酸酒精溶液侵蚀，进行夹杂物、晶粒度以及显微组织分析。螺钉的金相组织(图5)为回火索氏体及白色沿晶界分布的铁素体。圆轴销的金相组织(图6)为珠光体和白色沿晶界分布的铁素体。由此可见，材料组织成分均匀，也无晶间裂纹。

1.4 硬度及强度分析

由于断裂螺钉和圆轴销残块的尺寸较小，无法进行拉伸试验，因此对其进行布氏硬度检验，结果螺钉的平均硬度为148HB。按照GB/T 11721-1999《黑色金属硬度与强度换算法》标准进行换算后［3］，其抗拉强度约为506N/mm2，满足有关标准和技术要求对该螺钉用钢的强度要求［4］。

1.4.1 螺钉的强度校核

查看机械设计手册［5］，M8螺钉的最大承受载荷35 500N，公称压力25MPa时，丝杠受力9 500N。

如果轴销断裂，阀门的压力直接作用在主阀芯上，密封试验压力27.5MPa时，单个螺钉最大承受载荷51 993N，导致压盖螺钉断裂。

1.4.2 轴销强度校核

轴销许用剪切力:

表1 轴销的化学成分/%

表2 内六角螺钉的化学成分/%

图5 螺钉断面金相图

图6 轴销断面金相图

式中:τp为45#钢轴销的许用剪切应力，τp= 80MPa;d为轴销的直径，d=8mm;Z为轴销数量，Z=1个。

当关闭阀门力矩360N·m(通过手轮或手柄施加断开扭矩不超过360N·m)时，作用在轴销上的作用力为90 000N。

可见，在正常关闭力矩下，轴销是安全的。当关闭力矩超过一定值时，将会导致轴销剪切断裂。

图7 电磁阀装配图

2 原因分析

电磁阀是利用电磁线圈产生的磁场来拉动阀芯，从而改变阀门的通断。从原理上分直动式、分布直动式、先导式3大类。对于直动式电磁阀(图7)通电时，电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起，阀门打开;断电时，电磁力消失，弹簧把关闭件压在阀座上，阀门关闭。手动开启阀门时，丝杠12上移，阀门在内压作用下阀组件上移，阀门开启;丝杠12下移时，弹簧压缩簧压缩，阀门关闭。轴销9主要限制丝杠12的行程，通过力矩保护，避免阀门损坏。阀门在进行密封试验时，操作人员按照惯例，用管钳对阀门进行紧固，当关闭力矩增大到一定程度，阀门在关闭过程中，销轴中心部位承受较大的压应力，当压应力超过销轴的许用应力，轴销9被剪断。丝杠继续下移，主弹簧13压缩，丝杠12推动主阀芯组件5下移。电磁阀密封试验时，主弹簧13已经压缩，失去弹力，阀门内部的压力通过主阀芯组件5直接作用在丝杠12上，提升组件10和内六角螺钉11同时带压，阀组件承受较大的轴向载荷，螺钉超过其许用应力而拉断。

3 结语

1)从以上分析可以看出，电磁阀关闭力矩过大，轴销断裂，主阀芯组件自由移动行程缩短或为零;压力试验时，主阀芯组件承受较大推力，导致螺钉断裂。

2)电磁阀正常使用时严禁手动操作，手动状态进行密封试验，应注意关闭力矩不能太大，如果阀门不能完全关闭，既有力矩设定的原因，也有行程控制的原因，不能简单地认为阀门质量不好。

3)手动阀门只允许用正常体力关闭，而不得借助于其他辅助器械，当手轮直径≥320mm时允许由2人关闭。有驱动装置的阀门，应使用驱动装置进行试验。如技术上有关闭力矩要求时，需用测力扳手测关闭力矩。

［1］GB/T 3098.1-2010紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱［S］.

［2］GB/T 699-2008优质碳素结构钢［S］.

［3］GB/T 11721-1999黑色金属硬度与强度换算法［S］.

［4］API 6D-2008石油和天然气工业管线输送系统管线阀门［S］.

［5］中国机械工程学会.机械设备手册［M］.北京:电子工业出版社，2007.

The facture reasons of the shaft pin and screw of a high voltage explosion-proof solenoid valve are analyzed thought force analysis，fracture analysis，chemical composition analysis and metallographic examination.The results show that the fracture reason of the shaft pin is that the solenoid valve is closed improperly，and that the fracture reason of the screw is that the axial load of the screw is too great in the testof the solenoid valve.

high voltage exp losion-proof solenoid valve;shaft pin;screw;fracture

张箫铃

2014-06-05

曹海平(1969-)，男，工程师，主要从事特种设备检验与技术质量管理工作。