气瓶瓶阀断裂原因

邱康勇, 吴继权, 贺 艳

(深圳市特种设备安全检验研究院, 深圳 518029)

某公司一正常使用的气瓶瓶阀突然发生断裂，该气瓶瓶阀用在0.6 L的铝瓶上，新瓶阀与铝瓶连接图见图1。瓶内盛装介质为CO2，充装压力为6～7 MPa，瓶内介质温度约为-20 ℃。该气瓶瓶阀安装后气瓶仅充装了一次，还没出厂瓶阀就发生了断裂。瓶阀采用扭力机进行更换，设定最大扭力为85 N·m。为查明该气瓶瓶阀断裂的原因，避免类似情况再次发生，笔者对其进行了检验和分析。

图1 瓶阀与气瓶连接宏观形貌Fig.1 Macro morphology of connection between cylinder valve and cylinder

1 理化检验

1.1 宏观分析

新的气瓶瓶阀宏观形貌如图2所示，其细螺纹部分与气瓶相连接，粗螺纹部分为介质出口。新的气瓶瓶阀剖面结构如图3所示，在细螺纹附近，分别有两个直径为3 mm和6 mm的圆孔，大、小孔之间有个圆弧过渡区，为应力集中区域。阀体材料为HPb59-1铅黄铜。

图2 新瓶阀宏观形貌Fig.2 Macro morphology of new cylinder valve

图3 新瓶阀剖面宏观形貌Fig.3 Macro morphology of profile of new cylinder valve

断裂气瓶瓶阀断口形貌如图4和图5所示，可见其断裂位置位于细螺纹部分。由图4和图5可知，断面形成了高低不平的两个台阶，台阶一边位于第1道螺纹处，另一边位于第3道螺纹处。断口附近未见明显的塑性变形，表面存在向四周发散的放射状条纹，放射状条纹的收敛处指向断口大圆孔边缘部位，该处即为裂纹源区域。该区域断口表面发灰，无金属光泽[1-2]。最后断裂区表面凹凸不平，可见金属光泽，裂纹由内向外扩展。瓶阀表面未见明显的机械损伤。

图4 断裂瓶阀的断口宏观形貌Fig.4 Macro morphology of fracture of the fractured cylinder valve

图5 断裂瓶阀侧面宏观形貌Fig.5 Macro morphology of the side of the fractured cylinder valve

1.2 化学成分分析

在断裂气瓶瓶阀上截取化学成分分析试样，采用台式直读光谱仪对其进行化学成分分析，结果见表1。可见该断裂气瓶瓶阀的化学成分符合GB/T 5231-2012《加工铜及铜合金牌号和化学成分》对HPb59-1铅黄铜的成分要求。

表1 断裂瓶阀的化学成分(质量分数)Tab.1 Chemical compositions of the fractured cylinder valve (mass fraction) %

1.3 金相检验

在断裂气瓶瓶阀断口附近截取纵截面试样，经镶嵌、打磨、抛光后，用FeCl3盐酸水溶液进行浸蚀，试样显微组织如图6所示。可见其心部显微组织为α+β+铅，其中白色为α基体，灰色为β相，黑色为铅。α基体成带状分布,晶粒较粗大,局部有铅成球粒状沿晶界分布。图7为内表面大、小孔过渡区域处的显微组织形貌，在拐角处可见1条裂纹。图8为外表面螺纹处的显微组织形貌，在螺纹根部同样可见1条细小裂纹。

图6 断裂瓶阀心部显微组织形貌Fig.6 Microstructure morphology of core of the fractured cylinder valve: a) at low magnification; b) at high magnification

图7 断裂瓶阀内表面大、小孔过渡区域显微组织形貌Fig.7 Microstructure morphology of transition zone between big and small holes on the inner surface of the fractured cylinder valve: a) at low magnification; b) at high magnification

图8 断裂瓶阀外表面螺纹处显微组织形貌Fig.8 Microstructure morphology of screw thread on the outer surface of the fractured cylinder valve: a) at low magnification; b) at high magnification

1.4 硬度测试

对断裂气瓶瓶阀进行维氏硬度试验，试验从内壁向外壁进行，贯穿整个截面，试验结果见表2，可见其硬度无明显差异。

表2 断裂瓶阀的硬度测试结果Tab.2 Hardness test results of the fractured cylinder valve HV5

1.5 断口扫描电镜分析

将该断裂气瓶瓶阀的断口置于扫描电镜(SEM)下进行观察。图9为裂纹源区的SEM形貌，可见裂纹源区表面平整，位于圆弧过渡处的根部，为应力集中区，裂纹由内壁呈放射状向外壁扩展。图9 b)为裂纹源区局部放大形貌，该处断面以沿晶断裂形貌为主，局部存在大量的二次裂纹[3]。裂纹扩展区、终断区同样以沿晶断裂形貌为主，且局部存在大量的二次裂纹，裂纹扩展区分布有点状颗粒物[4]，如图10和图11所示。

图9 断裂瓶阀裂纹源区SEM形貌Fig.9 SEM morphology of crack source zone of the fractured cylinder valve: a) at low magnification; b) at high magnification

图10 断裂瓶阀裂纹扩展区SEM形貌Fig.10 SEM morphology of crack propagation zone of the fractured cylinder valve

图11 断裂瓶阀终断区SEM形貌Fig.11 SEM morphology of final fracture zone of the fractured cylinder valve

2 分析与讨论

化学成分分析结果表明该断裂气瓶瓶阀符合GB/T 5231-2012对HPb59-1铅黄铜的成分要求，材料与设计相符。从断口宏观分析可知，断口的裂纹源位于大、小圆孔过渡区的大圆孔根部应力集中区域，裂纹由内向外扩展，表明断裂由内向外进行。断口局部发灰，终断区有金属光泽，表明整个断口不是一次形成的。发灰部分断口在瓶阀整体发生断裂前已产生。

由金相检验结果可知，气瓶瓶阀内壁、心部及外壁螺纹处的显微组织均为α+β+铅，无明显差异，与硬度测试结果吻合，其中白色为α基体，灰色为β相，黑色为铅，α基体成带状分布，晶粒较为粗大。局部有铅成球粒状沿晶界处分布，造成晶界弱化，力学性能下降[5]。在内表面大、小孔过渡区域拐角处可见1条裂纹，裂纹沿着晶界穿过，与断口的沿晶断裂形貌吻合。外表面螺纹根部处同样可见1条细小裂纹，由于裂纹是从内向外扩展的，所以该处裂纹与气瓶瓶阀的断裂无直接关系。

从断口SEM分析结果可知，整个断口均以沿晶断裂为主，局部存在大量的二次裂纹，表明断裂在大应力下造成。沿晶断裂是由于晶界弱化，因此力学性能下降，裂纹沿晶界处扩展。

综上所述，可知裂纹源区位于圆弧过渡区域，为应力集中区域。气瓶瓶阀在装配后内部存在较大的应力，同时，瓶内充满介质后压力较高(6～7 MPa)，造成了应力叠加。又因为瓶内CO2介质温度较低(-20 ℃)，在低温环境下材料的力学性能下降。因此，气瓶瓶阀起裂于应力集中部位，且由于瓶内存在低温环境，裂纹从应力集中部位由内向外扩展，最终发生脆性断裂。

3 结论及建议

组织中局部有铅成球粒状沿晶界分布，造成晶界弱化；且瓶内存在低温介质，在低温环境下瓶阀的力学性能下降。内表面大、小孔过渡区为应力集中部位，裂纹在应力集中部位由内向外扩展，最终导致该气瓶瓶阀发生脆性断裂。

建议原材料在热处理时控制好加热温度、保温时间，合理选择工艺参数；提高气瓶瓶阀的加工精度，大、小孔过渡位置处的圆弧应足够大。