摘　要：本文對一起直接作用式調壓器閥桿斷裂的現象進行了描述，通過力學計算、專業(yè)檢測結果及相關分析，對產生的原因進行了判斷，并提出了設計施工改進的措施以及調壓器結構的優(yōu)化建議。

關鍵詞：大膜盤調壓器　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某住宅小區(qū)燃氣工程完成竣工驗收后，正式通氣時發(fā)現設置的區(qū)域調壓箱無法正常工作，箱內的兩臺進口調壓器都不能調壓，經設備廠家初步判斷為調壓器閥桿斷裂，據設備廠家介紹，類似問題在前幾年也曾發(fā)生過兩次，當時設備廠家僅以自行更換閥桿的方式解決了問題，沒有進行相關分析。對此情況公司決定將其拆解分析，以期查明調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　拆解分析及施工項目背景調查

公司技術部門、施工管理部門會同施工方、設備廠家一起對調壓器進行了拆解，經過對兩臺調壓器進行拆解，發(fā)現均為調壓器的閥桿斷裂，閥桿斷裂部位均在閥桿端部連接閥瓣的槽口處(見圖1)。

檢查閥瓣時，發(fā)現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。

通過該施工項目建設情況的梳理，我們了解到：該項目的調壓箱及中壓支管、部分低壓管網已于兩年前安裝完成，中壓支管與供氣干管及調壓箱同期完成連接，天然氣已送至調壓箱閥前。本次是將剩余部分管網全部施工完成后，對調壓箱后的低壓管網重新進行了強度和氣密性試驗，強度試驗壓力為0.15MPa，完成強度試驗后，直接開啟調壓箱出口閥門，將出口端的安全放散管作為泄壓排放口，并且當時調壓器前閥門處于關閉狀態(tài)，調壓器后閥門處于開啟狀態(tài)，調壓箱前端的中壓支管已通入天然氣。

所有調壓器按要求出口端壓力應小于入口端壓力，通過閥瓣軟密封閥墊上的壓痕可以推斷，調壓器出口端壓力過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壓器閥桿的拉斷，調壓器閥桿是否本身存在材質缺陷，這需要進一步分析驗證。

2　調壓器的結構犁式及閥桿材質

該款調壓器為某進口品牌，在我公司大量使用，其質量和性能較為穩(wěn)定，一直沒有出現過問題。該款調壓器為大膜盤直接作用式調壓器，其連接口徑DN80，膜盤頭部直徑為書600，其結構型式平衡閥芯式調壓器，閥瓣位于閥座下部，是典型的失效開啟型調壓器，在主皮膜破裂或壓力信號管無壓力反饋時，閥口處于開啟狀態(tài)。大膜盤調壓器的特點是結構簡單、響應迅速、關閉精度高，由于大膜盤的作用，其關閉精度很高，當下游壓力高于設定值時，閥口關閉密封性好，無流量泄漏。其結構見圖2。

該款調壓器的閥桿材質為Xl2CrSl3，為歐洲EN標準的不銹鋼牌號，在德國DIN標準和意大利標準中均為Xl2CrSl3同一牌號，等同美國AISI標準中的416牌號不銹鋼，對應我國國內標準不銹鋼牌號是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，特別適用于自動車床、數控車床批量生產，其成本低，性價比高，是調壓器、調節(jié)閥及閘閥閥桿的首選，在調壓器閥桿、閥座和閥瓣上有較多的應用。

X12CrSl3不銹鋼通過熱處理可以調整其力學性能，粹火后硬度較高，不同回火溫度具有不同強韌性組合，與304和316不銹鋼相比，強度和切削加工性比304和316好，摩擦系數小，但耐腐蝕能力不如304和316不銹鋼。

經查相關同牌號不銹鋼的資料，國內對其材料化學成分要求見表1。

在資料中同牌號不銹鋼相應常規(guī)的力學性能如下：

抗拉強度sb(MPa)：淬火回火，≥735

條件屈服強度s0.2(MPa)：淬火回火，≥540

伸長率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　閥桿受力計算及分析

調壓器閥桿在斷裂部位為中空的管式結構(見圖3)，調壓器相關尺寸：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，閥桿的內孔直徑為5mm，則閥桿斷裂處的環(huán)形面積為58.875mm²。

當膜盤下部承受的氣體壓力0.15MPa，膜盤受到向上的推力為29437.5N，該力作用在閥桿斷裂處產生的拉應力通過計算為500MPa，該值接近于條件屈服強度540MPa，但遠小于抗拉強度735MPa。

也就是說在0.15MPa的氣體壓力條件下，調壓器閥桿可能會發(fā)生塑性變形，但不會斷裂。對調壓器閥桿材質是否存在缺陷還需要通過相應的檢測數據來分析。

4　相關專業(yè)機構的檢測結果及比對

公司將斷裂的閥桿委托給專門從事斷裂研究的專業(yè)實驗室對斷裂面進行了檢測分析，同時要求設備廠家也同時對另一根斷裂的閥桿進行檢測分析。

我公司委托的專業(yè)斷裂實驗室通過對調壓器的閥桿進行斷口宏觀／微觀、閥柱材料成分進行檢測分析判斷，主要檢測分析結果為：

(1)斷口部位微區(qū)能譜分析表明，閥桿試樣的化學成分與設備廠家提供的標準要求相符，并額外檢測出了Cl、Al、K、Na、Mg等元素，見表2。

(2)閥柱材料基體組織在掃描電鏡下觀察，發(fā)現其橫截面上存在著較多mm級的孔洞，無韌窩產生，分析為晶間開裂，判斷為脆性開裂。

國外設備制造廠家對調壓器斷裂閥桿其它部位進行了元素分析和力學測試，結果見表3。

抗拉強度為795MPa，條件屈服強度s0.2為704MPa。

設備廠家委托國內材料研究所對一根新閥桿進行了元素分析和力學測試，結果見表4。

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

我們將3個機構的元素分析結果進行了比對，結果非常相符相近，且符合標準要求。對應于國外對該材質在650℃溫度下回火處理后的抗拉強度范圍700MPa～1000MPa，條件屈服強度s0.2大于等于500MPa的要求，力學測試結果也為合格。

為慎重起見，我們又要求我公司委托的專業(yè)斷裂實驗室對非斷口區(qū)域增補微區(qū)能譜分析，發(fā)現材料本體的非斷口區(qū)域無Al、Cl、K、Na、Mg等元素。

5　斷裂失效原因分析

通過查閱其它資料，我們了解到：馬氏體不銹鋼與調制鋼一樣，可以使用淬火、回火及退火處理，其力學性質與調制鋼也相似，當硬度升高時，抗拉強度及屈服強度升高，而伸長率、截面收縮率及沖擊功則隨著降低，馬氏體不銹鋼當硬度增加時，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，故具有較高的強度、硬度和耐磨性，但耐蝕性稍差，其通過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可以提高其熱強性。銅的加入，對不銹鋼有強韌化作用，且隨銅含量的增加，不銹鋼的抗菌性能提高。

綜合我公司進行的相關力學計算及一系列專業(yè)檢測分析，可以看出：調壓器閥桿材質的元素成分和力學性能是與標準要求相符的，從閥桿的元素分析來看，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腐蝕和縫隙腐蝕。

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

就Cl、Al、K、Na、Mg等元素如何會進入到閥桿斷口部位的問題，我們對組裝和施工的各個環(huán)節(jié)進行了進一步排查分析：

(1)調壓器的裝配環(huán)節(jié)：國外工廠對不銹鋼閥桿有嚴格的檢測和安裝要求和程序，在裝配完成后的出廠檢驗也是采用的干燥空氣進行測試，沒有與Cl、A1、K、Na、Mg等元素接觸的機會。

(2)調壓器的運輸環(huán)節(jié)：國外工廠對調壓器的包裝非常嚴謹，設備兩端除了安裝密封蓋以外，包裝箱內還放有干燥吸附包，不存在Cl、Al、K、Na、Mg等元素進入的可能。

(3)調壓箱的裝配環(huán)節(jié)：調壓箱國內裝配環(huán)境為廠房內，調壓器拆箱安裝后，整體也是采用干燥空氣進行壓力試驗和調試，也不存在進入的可能。

(4)調壓箱的現場安裝環(huán)節(jié)：根據了解，由于武漢市的地下水位較高，管道在施工過程中容易殘留較多水量，特別是PE管一般不設坡度且沒有設置凝水缸，調壓箱前的中壓支管排水一般都是通過調壓箱內過濾器排污閥排出，這就使接觸了土壤顆粒的地下水進入到了調壓器。

鎖定了環(huán)節(jié)后，還需對發(fā)生晶間腐蝕時間進行復核，氯離子使馬氏體不銹鋼產生晶間腐蝕需要一定時間。該項目于兩年前已經完成了調壓箱前中壓支管的連通進氣，中壓支管當時通過過濾器的排水造成了部分地下水在兩年前就進入了調壓器內，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，由于沒有通氣，經過兩年多時間，Cl氯離子在潮濕的條件下對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級的孔洞就是點腐蝕和縫隙腐蝕得表現，所以在閥桿受力接近其屈服強度時就發(fā)生了脆性斷裂。

6　結語

通過一系列的力學計算、專業(yè)檢測及相關分析，可以排除出調壓器閥桿缺陷的因素，主要原因為調壓器閥桿在潮濕環(huán)境內受到氯離子的點腐蝕和縫隙腐蝕，受到非正常拉應力而發(fā)生脆性斷裂。

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

通過以上一系列的分析也引發(fā)了我們的一些思考，需要完善我們的設計和施工工藝，以及優(yōu)化調壓設備的結構：

(1)天然氣水露點較低，氣質較干，管道上一般不設置凝水缸，目前管道材質以PE管為主，因其柔性較大而不易控制坡度。對于地下水位較高的城市，一方面需要在施工過程中嚴格控制地下水的進入，并且管道吹掃方式應采用海綿清管器的清掃方式，以避免管內殘存大量的水隨氣流積聚而堵塞管道；另一方面PE管的基礎處理要到位，設計中應設計合理的坡度，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積聚的可能。

(2)施工人員對調壓設備的結構和材質應進行必要的學習了解，在安裝和施工環(huán)節(jié)時應對調壓設備進行有效的保護，避免其受到非正常的損害而失效。

(3)大膜盤調壓器南于膜盤面積較大而對壓力變化較為敏感，其結構還可以進一步完善和優(yōu)化。當調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閉不嚴，在大膜盤調壓器上蓋可以增加對膜盤上移的限位裝置以及在反饋信號管上安裝阻尼閥的方式，可以減少膜盤下方壓力上升較快時對閥桿產生較大的拉應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，暗桿閘閥的閥桿會直接與介質接觸，建議在地下水位較高的南方地區(qū)，管道關斷閥門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