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轨道球阀阀杆失效分析及结构改进

2019/11/22 15:06:57

一.概述

本发明综合了球阀、闸阀和截止阀的结构特点,具有密封表面无摩擦,开启和关闭时扭矩低的优点。在煤化工系统中得到了广泛的应用。某煤油公司制氢装置膜分离系统空压机管路用进口手动钢轨球阀为NPS 8,压力等级为1500级,工作压力为19.5MPa,阀杆为分段结构。空气压缩机大修时,阀门需要操作,但阀门的开启或关闭阶段发生阀杆断裂。

二.问题分析

在轨道球阀的开合过程中,阀杆不仅承受旋转运动的力矩,而且承受上下运动的推力和张力。分节茎分为上部和下部两部分。上阀杆部分包括梯形螺纹部分、填料密封部分和反向密封部分,下阀杆部分包括螺旋槽部分、楔形部分和平方段。阀杆的上、下段采用螺纹加反传递销连接,损坏部分为下阀杆,而上阀杆未损坏。检测了受损下茎材料中各元素的含量,达到420种材料的要求。考虑到取样是阀杆的硬化性和热处理的硬化性,结合ASTMA 276标准规定的热处理要求,可以判断阀杆的热处理过程是淬火处理。经分析,确定损坏的下阀杆材料为420淬火。通过对阀杆断口形状的分析,该断裂属于应力集中区,结构复杂,包括内螺纹回热槽的斜面、外导轨槽的倾斜部分和由上、下阀杆连接的反旋转销孔。然而,轨道球阀的工作扭矩仅为1≤4或低于普通球阀,所测阀杆材料的抗拉强度在1200 MPa以上。因此,材料的应力集中和强度不足并不是阀杆断裂的主要原因。

履带球阀阀杆失效分析及结构改进Ⅲ.工况分析

该阀的操作条件为氢、硫化氢等混合介质,氢含量约为50%,硫化氢含量约为0.2%。结合分析结果,阀杆失效的主要原因是氢致裂纹(HIC)和硫化物应力开裂(SSC)。

氢致裂纹是在高温高压氢环境下氢扩散侵入钢的结果。在冷却过程中,当氢从钢中向外释放时,一定量的氢会被吸入到钢中,从而导致裂纹。硫化物应力开裂是一种含H_2S的酸性环境。当一种易受影响材料的表面与酸性气体接触时,H_2S分子反应生成金属硫化物和氢原子。氢原子在裂纹端向材料扩散,应力最高。氢在晶格、晶格表面和晶界上的扩散和积累,降低了材料的塑性变形能力,导致氢脆,使裂纹更容易扩展。

轨道球阀阀杆的断裂有三个条件,即应力、介质和材料,是氢致裂纹和硫化物应力开裂的主要条件。(1)阀杆断裂结构复杂,应力集中。(2)阀杆密封的填料位置位于轨道槽上部,即阀杆的断裂部分与介质接触时间较长,介质为高压氢和硫化氢的混合物。3420材料是一种马氏体时效不锈钢。淬火后材料的伸长率和收缩度过小,脆性高,硬度过高,韧性不足。因此,阀门使用一段时间后,阀杆破裂,一旦阀门运行,就会对阀杆造成损坏,这与轨道阀开、关时阀杆的断裂是一致的。

四.解决办法

结合阀杆的强度要求和阀门的工作条件,可以采取两种解决方案。1保留原茎结构。上部阀杆结构简单,420种材料能满足要求。下茎结构复杂,材料为17-4PH。该方案具有成本低、加工方便、装配简单等优点。2阀杆设计为整体结构,即上下连接阀杆改为整体制造,阀杆材料为17-4PH。虽然整个阀杆的加工难度略有增加,但在不受内螺纹凹槽和反旋转销孔对阀杆强度的影响的情况下,提高了阀杆的整体性能。两种方案材料的控制是按照NACEMR 0175的要求进行的。

主要研究结果如下:(1)将420个材料的硬度控制在≤22 HRC,并对材料进行了三步热处理。1.淬火后的奥氏体化和空冷。(2)最低温度为621℃回火,再冷却至室温。(3)最低温度达到621℃,但低于第一次回火温度,然后冷却到环境温度。

(2)17-4PH材料的硬度控制在≤33 HRC,采用双时效硬化热处理。1固溶体退火在1038±14℃,空冷或液态淬火在32℃以下。(2)首次析出硬化为760±14℃,保温时间至少为2h,空冷或液淬小于32℃。(3)在621±14℃进行二次沉淀硬化,保温4h以上,空冷或液淬小于32℃。

改进后的阀杆保证了轨道球阀在硫化氢条件下的长期有效运行。在设计和制造阀门时,应根据实际工作条件,特别是在苛刻的工作条件下,进行有针对性的差别化设计,严格遵守有关标准或高于标准,以满足实际需要和客户要求。

标签:轨道球阀 

销售:王先生

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