摘要：對(duì)燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)中的開(kāi)裂銅球閥(材質(zhì)為HPb59-1鉛黃銅)進(jìn)行鑒定，依據(jù)銅球閥的金相組織、裂口尖端表面能譜、化學(xué)成分等，分析開(kāi)裂的原因。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，提出此類銅球閥的安裝環(huán)境要求。

關(guān)鍵字：銅球閥；  金相組織；  能譜分析；  應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂

Discussion on Application Environment of Cracked Copper Ball Valve in Gas Transmission and Distribution System

Abstract:The cracked copper ball valve(material：HPb59-1 ledrite )is identified．The cracking reason is analyzed according to the metallographic structure of copper ball valve，energy spectrum of the top crack surface，chemical composition and so on．The installation environment requirement of this type of copper ball valve is put forward with practical application．

Key words: copper ball valve；metallographic structure；energy spectrum analysis；stress corrosion cracking

近年來(lái)，在西安秦華天然氣有限公司天然氣輸配系統(tǒng)中螺紋銅球閥與燃?xì)夤艿缆菁y連接處開(kāi)裂事件屢有發(fā)生，據(jù)統(tǒng)計(jì)2011年中壓閥門(mén)井內(nèi)的放散銅球閥(DN 25 mm)及調(diào)壓箱進(jìn)口管道處設(shè)置的放散銅球閥(DN 25 mm)發(fā)生螺紋連接處開(kāi)裂事件43起，嚴(yán)重影響了天然氣輸配系統(tǒng)的安全可靠性。為了查明銅球閥與燃?xì)夤艿缆菁y連接處開(kāi)裂的原因，我們將開(kāi)裂的銅球閥樣件送交專業(yè)管材研究部門(mén)進(jìn)行分析鑒定，并對(duì)燃?xì)庀到y(tǒng)中銅球閥的應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行全面的調(diào)研分析。

1 開(kāi)裂銅球閥樣件分析鑒定情況

兩件開(kāi)裂的銅球閥均為公稱通徑25 mm、公稱壓力l．6 MPa的手動(dòng)銅球閥，閥體材料為鉛黃銅，材料牌號(hào)為HPb59-1，材料標(biāo)準(zhǔn)為GB／T 4423-2007《銅及銅合金拉制棒》。

Ⅰ號(hào)銅球閥開(kāi)裂形貌見(jiàn)圖l，閥體沿軸向方向開(kāi)裂，裂口長(zhǎng)度約l4 mm。

Ⅱ號(hào)銅球閥開(kāi)裂形貌見(jiàn)圖2，裂口詳細(xì)位置及長(zhǎng)度從外觀觀察并不明顯。該銅球閥在管道上運(yùn)行時(shí)被查出圖2所示“裂口大致位置”處泄漏天然氣，后送研究部門(mén)沿該處進(jìn)行線切割后發(fā)現(xiàn)閥體也沿軸向方向開(kāi)裂。

1.2 對(duì)送檢銅球閥的檢測(cè)分析

①金相組織分析

對(duì)I號(hào)、Ⅱ號(hào)銅球閥的金相組織^[1]及裂紋進(jìn)行分析，結(jié)果如下：

I號(hào)銅球閥的金相組織由α相、β相和鉛顆粒組成，α相、β相為塊狀，鉛基本以細(xì)小顆粒均勻分布。裂紋起源于外表面，主裂紋兩側(cè)有二次裂紋，裂紋內(nèi)有灰色物質(zhì)；裂紋沿晶分布；裂紋兩側(cè)組織與非裂紋區(qū)組織相同，均為“α相+β相+鉛顆粒”，見(jiàn)圖3、4。

Ⅱ號(hào)銅球閥的金相組織也由α相、β相和鉛顆粒組成，α相、β相為塊狀，鉛基本以細(xì)小顆粒均勻分布。裂紋起源于外表面，裂紋附近外表面有一層灰色物質(zhì)呈波浪狀或直線狀，該灰色物質(zhì)與靠主裂紋根部裂紋內(nèi)灰色物質(zhì)相同；主裂紋兩側(cè)有二次裂紋，裂紋內(nèi)有灰色物質(zhì)；裂紋沿晶分布；裂紋兩側(cè)組織與非裂紋區(qū)組織相同，均為“α相+β相+鉛顆粒”，見(jiàn)圖5、6。

②能譜分析

對(duì)I號(hào)銅球閥裂口尖端處的灰色物質(zhì)試樣進(jìn)行掃描電子顯微鏡觀察，結(jié)果表明：裂紋表面可見(jiàn)明顯灰色覆蓋物。能譜分析結(jié)果表明主要成分為Cu、Zn、S、O和少量Cl等，Ⅰ號(hào)銅球閥裂紋尖端點(diǎn)1處

的電子顯微鏡觀察結(jié)果和表面能譜分析結(jié)果見(jiàn)圖7、8。

對(duì)Ⅱ號(hào)銅球閥裂口尖端處的灰色物質(zhì)試樣進(jìn)行掃描電子顯微鏡觀察，結(jié)果表明：裂紋表面可見(jiàn)明顯灰色覆蓋物。能譜分析結(jié)果表明主要成分為Cu、Zn、S、O和少量Cr、Mn等，Ⅱ號(hào)銅球閥裂紋尖端點(diǎn)l處的電子顯微鏡觀察結(jié)果和表面能譜分析結(jié)果見(jiàn)圖9、10。

③化學(xué)成分分析

分別對(duì)Ⅰ號(hào)、Ⅱ號(hào)銅球閥閥體的化學(xué)成分進(jìn)行檢測(cè)分析，分析結(jié)果見(jiàn)表1。

1.3 對(duì)檢測(cè)結(jié)果的分析

①理化性能

由表l可見(jiàn)，Ⅰ號(hào)、Ⅱ號(hào)銅球閥閥體的Cu、Fe和Ni含量符合GB／T 5231-2001《加工銅及銅合金化學(xué)成分和產(chǎn)品形狀》的規(guī)定，但Pb含量明顯超過(guò)GB／T 5231-2001規(guī)定的上限值。

②開(kāi)裂原因分析

金相檢測(cè)結(jié)果表明，Ⅰ號(hào)和Ⅱ號(hào)銅球閥閥體金相組織為α相、β相、鉛顆粒，α相、β相為塊狀，鉛基本以細(xì)小顆粒均勻分布，兩件銅球閥閥體金相組織沒(méi)有異常。

Ⅰ號(hào)和Ⅱ號(hào)銅球閥開(kāi)裂斷面金相和掃描電鏡檢測(cè)結(jié)果均表明，斷面開(kāi)裂形式為從閥體外表起裂的沿晶開(kāi)裂特征，能譜分析結(jié)果表明斷面灰色物質(zhì)中含一定量的有害元素S，由此可判斷Ⅰ號(hào)和Ⅱ號(hào)銅球閥閥體開(kāi)裂形式為硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。

2 關(guān)于銅球閥使用環(huán)境的討論

應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂是指金屬因受應(yīng)力與腐蝕的聯(lián)合影響而開(kāi)裂的現(xiàn)象，是一種有條件的特定應(yīng)力腐蝕形式，如無(wú)應(yīng)力存在，即使處在腐蝕環(huán)境中，也不會(huì)發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象，而當(dāng)有應(yīng)力存在，尤其是拉應(yīng)力存在時(shí)，則易引起應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。

產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的必要條件是同時(shí)存在拉應(yīng)力和腐蝕性環(huán)境，當(dāng)與銅球閥連接的管道輸送較高壓力介質(zhì)，裝配人員野蠻施工導(dǎo)致裝配扭矩較大時(shí)，銅球閥螺紋連接處會(huì)產(chǎn)生一定的環(huán)向拉應(yīng)力作用，若外部服役環(huán)境中存在腐蝕介質(zhì)(特別是含S腐蝕介質(zhì))，銅球閥螺紋連接處便會(huì)沿環(huán)向發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂^[2]。

HPb59-1鉛黃銅的特點(diǎn)是可切削性好，有良好的力學(xué)性能，但有腐蝕開(kāi)裂傾向。以上銅球閥由HPb59-1銅合金棒鑄造加工而成，由于以上棒材內(nèi)部易存在殘余應(yīng)力，加之該類銅球閥與壓力管道連接時(shí)存在安裝應(yīng)力，且銅球閥安裝在潮濕的井室或戶外，受空氣中、雨水中的二氧化硫、硫酸鹽等有害雜質(zhì)的綜合作用，導(dǎo)致銅合金晶問(wèn)腐蝕開(kāi)裂。

Ⅰ號(hào)銅球閥安裝在用戶調(diào)壓箱進(jìn)口處的放散管道上，管道的壓力為0．2 MPa，所處環(huán)境為戶外，無(wú)遮擋，風(fēng)吹雨淋，使用時(shí)間為2年。

Ⅱ號(hào)銅球閥安裝在用戶庭院閥門(mén)井內(nèi)的放散管上，管道的壓力為0．2 MPa，所處環(huán)境為井室內(nèi)，潮濕，逢雨季井內(nèi)積水，使用時(shí)間為1年。

可見(jiàn)，以上開(kāi)裂銅球閥均安裝在中壓管道(壓力為0．2 MPa)上，安裝環(huán)境有含S腐蝕性物質(zhì)，從而導(dǎo)致銅球閥與燃?xì)夤艿缆菁y連接處腐蝕開(kāi)裂。

經(jīng)以上分析，我們認(rèn)為在燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)使用銅球閥時(shí)，應(yīng)對(duì)其裝配位置及安裝環(huán)境進(jìn)行評(píng)估，避免安裝在同時(shí)存在拉應(yīng)力和腐蝕性的環(huán)境中，以免引起銅合金應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂^[3]。

3 結(jié)論

我們認(rèn)為不宜將該類銅球閥安裝在中壓輸配管道上，更不宜安裝在室外或閥門(mén)井等含S腐蝕性物質(zhì)較多的環(huán)境中，還應(yīng)注意安裝時(shí)文明施工，不要用力過(guò)猛。應(yīng)根據(jù)管材、管件的特征，規(guī)范安裝在低壓輸配系統(tǒng)和含s腐蝕性物質(zhì)較少的環(huán)境中。

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本文作者：  陸青   魏曉瑋