閘閥閥座變形原因分析及改進(jìn)措施

　　針對一起閘閥閥座變形失效事故，采用理論與試驗相結合的方法，對閘閥進(jìn)行了宏觀(guān)分析、微觀(guān)分析、閥板厚度分析以及材質(zhì)理化性能檢驗。結果表明，閥板加工質(zhì)量差和閥座裝配不當導致閥座受到閥板大的擠壓力和摩擦力作用產(chǎn)生變形。提出了改進(jìn)措施，取得了良好效果。

　　閘閥是一種使用廣泛的閥門(mén)，主要用來(lái)接通和截斷管路中的介質(zhì)。根據密封元件形式的不同閘閥可分為楔形閘閥、平行式閘閥、楔形雙閘板閘閥、平行雙閘板閘閥等。閘閥可采用自密封方式密封，也可采用強制密封。由于強制密封可靠性高，在石油化工行業(yè)使用較為普遍。

　　楔形閘閥靠楔形閥板上的兩密封面和閥座上的兩密封面楔入時(shí)的緊密結合來(lái)達到密封，由于楔入過(guò)程中密封面要承受大的擠壓力和摩擦力，所以密封面容易發(fā)生損傷而導致泄漏。為提高楔形閘閥的可靠性和延長(cháng)其使用壽命，很多學(xué)者從材料、結構和受力等方面進(jìn)行了研究，但現場(chǎng)楔形閘閥失效事故仍時(shí)有發(fā)生，有些甚至在使用一次或幾次后就發(fā)生了失效，給生產(chǎn)帶來(lái)了很大的安全隱患。本文研究的失效閘閥為XFF65-60楔形閘閥，在油田現場(chǎng)第1次水壓試驗后就產(chǎn)生了失效。試驗中工作人員關(guān)閉閘閥后開(kāi)啟，再次關(guān)閉閘閥后發(fā)現閘閥未能截止水流。本文以該起閘閥失效事故為研究對象，分析閘閥失效的原因，探討避免此類(lèi)事故發(fā)生的措施和方法。

1、宏觀(guān)分析

　　剖開(kāi)閘閥本體后發(fā)現閘閥內部A閥座已發(fā)生大的變形(如圖1)，A閥座局部?jì)劝�、變形嚴重，左下側部位已脫離和本體的螺紋嚙合。

圖1 本體剖開(kāi)后的A閥座外觀(guān)

圖2 A閥座外觀(guān)形貌

　　A閥座外觀(guān)形貌如圖2，表面可見(jiàn)I、II和III三處破碎區，表面硬化層和基體分界明顯;區域。兩條裂紋均從圓內側貫穿到圓外側，表面硬化層及附近基體有向閥板開(kāi)啟方向較小的殘留位移;區域ò破碎嚴重，靠圓內側裂紋處表面硬化層有脫落，表面可見(jiàn)3條從圓內側貫穿到圓外側的裂紋，裂紋平行于閥板開(kāi)啟方向，表面硬化層及附近基體有向閥板開(kāi)啟方向的殘留位移;區域III裂紋呈90°三角形，自圓內側兩處延伸相匯于端面中部，靠圓內側裂紋處表面硬化層有脫落，表面硬化層及附近基體有向閥板開(kāi)啟方向較小的殘留位移。

　　A閥座端面區域II和區域III局部破碎嚴重，區域II分布有2處發(fā)射狀小裂紋，顯示擠壓破碎形貌，區域II還可見(jiàn)從圓內側點(diǎn)1到圓外側點(diǎn)2再到圓內側點(diǎn)3的圓弧線(xiàn)擠壓痕跡(如圖2)。

　　B閥座變形成橢圓形，其中短軸方向平行于閥板開(kāi)啟方向。閥板A面與A閥座密封面相接觸，外觀(guān)形貌如圖3，區域。倒角處有粘結金屬粒。閥板B面完好，未見(jiàn)損傷。

圖3 閥板A面外觀(guān)形貌

2、閥座表面微觀(guān)分析

　　對圖2中的區域II進(jìn)行電子顯微鏡觀(guān)察，如圖4，可見(jiàn)裂紋以集中區(圖中雙點(diǎn)劃線(xiàn)圓)為中心呈放射狀擠壓破碎形貌，所以區域ò受到了局部擠壓作用。對區域II平整處顯微觀(guān)察發(fā)現有摩擦損傷形貌(如圖5)。

圖4 A閥座區域II微觀(guān)形貌

圖5 A閥座區域II表面摩擦形貌

3、閥板厚度分析

　　將閥板密封環(huán)中心圓均勻分成16等份按圖3方位進(jìn)行厚度測量，最下端為起始零點(diǎn)，按逆時(shí)針?lè )较蛑鹨粶y量。以密封環(huán)中心圓方位角為橫坐標，以測量點(diǎn)厚度值為縱坐標畫(huà)折線(xiàn)圖(如圖6)。由圖6可見(jiàn)，密封環(huán)中心圓對稱(chēng)位置處厚度有較大差異，呈現不對稱(chēng)性，另外180b方位處(圖3最上端)厚度明顯偏小，這將嚴重影響閥板和閥座貼合的緊密度，閥板開(kāi)啟和關(guān)閉過(guò)程中在2對接觸面上必將產(chǎn)生大的摩擦阻力。

圖6 閥板密封環(huán)沿圓周厚度值

4、材質(zhì)分析

　　對閥座、閥板和本體進(jìn)行化學(xué)成分分析，對本體進(jìn)行縱向拉伸和橫向沖擊試驗，結果符合SY/T5127-2002標準和廠(chǎng)家規范要求。對閥座基體進(jìn)行金相分析，結果如下：組織為珠光體和鐵素體(如圖7);組織晶粒度為10.5級;夾雜物為A2.0，B0.5，DTiN1.5。

圖7 閥座顯微組織

5、綜合分析

　　A閥座硬化層有3處破碎區，嚴重破碎區域II主裂紋貫穿整個(gè)硬化層，主裂紋附近分布有縱多微小裂紋;宏觀(guān)觀(guān)察發(fā)現區域II破碎區裂紋以集中區為中心呈擠壓破碎形貌，區域II宏觀(guān)可見(jiàn)擠壓殘留的圓弧線(xiàn)痕跡，微觀(guān)觀(guān)察可見(jiàn)表面摩擦形貌;A閥座3處破碎區表面硬化層及附近基體有向閥板開(kāi)啟方向的殘留位移。B閥座變形呈橢圓形，其短軸方向平行于閥板開(kāi)啟方向。據上推測，A閥座和B閥座都受到了大的擠壓力和摩擦力作用，其中摩擦力方向平行于閥板開(kāi)啟方向。

　　如果A閥座和B閥座裝配后的兩表面楔形間距過(guò)大，閥板在閥桿的帶動(dòng)下可移動(dòng)到本體內部最底端(如圖8b)。正常情況下，閥座下邊緣離本體內部空間最下端距離為20mm(如圖8c)，而閥板在極限位置時(shí)的接觸面內圓最下邊緣離本體內部空間最下端距離為17mm(如圖8b)，所以閥板在圖8b極限位置開(kāi)啟上移過(guò)程中下部?jì)鹊菇沁呇貢?huì )刮蹭到閥座下半部分，致使閥座變形或使表面破碎的小塊剝落。A閥座嚴重破碎區和閥板A面粘結金屬區方位呈對稱(chēng)性，說(shuō)明這2處是閥座和閥板密封接觸時(shí)的對應部位，此現象及A閥座和B閥座的變形方向證明了上述情況的發(fā)生。

　　綜合以上分析，推斷A閥座在受到閥板擠壓摩擦后產(chǎn)生了變形和硬化層局部的破碎，閥板在本體內部過(guò)極限位置開(kāi)啟上移過(guò)程中致使閥座變形以及表面硬化層的進(jìn)一步破碎和剝落。

a 閥板正常位置

b 閥板極限位置

c 閥座正常位置

圖8 閥板極限位置示意

6、改進(jìn)措施及效果

　　a)改進(jìn)閥板兩環(huán)形密封面的加工工藝，在保證兩密封面平面度的同時(shí)保證兩密封面的對稱(chēng)性。

　　b)安裝新的閥座，調整閥座兩密封表面間楔形空間至閥板移動(dòng)到預定位置時(shí)達到良好密封。

　　c)加強對使用前和使用后閘閥的檢測，避免有損傷或存在其他缺陷的閘閥進(jìn)入現場(chǎng)使用。

　　d)安裝新的閥板和閥座后重新對閘閥進(jìn)行水壓試驗，結果合格，后期油田現場(chǎng)對閘閥開(kāi)啟和關(guān)閉32次也未發(fā)現閘閥發(fā)生泄漏或損壞。

7、結論

　　1)閥板兩側楔形表面平面度差，兩側平面與中心面不對稱(chēng)，嚴重影響了閥板和閥座的密封性能，并且導致閥板楔入和開(kāi)啟過(guò)程中對閥座表面產(chǎn)生過(guò)大的局部擠壓力和摩擦力。

　　2)A閥座和B閥座裝配位置不當導致兩密封表面間楔形空間過(guò)大，閥板移動(dòng)到預定位置時(shí)和閥座不能產(chǎn)生緊密密封。

　　3)A閥座和B閥座受到閥板大的擠壓力和摩擦力作用導致變形。

　　4)改進(jìn)后的閥座滿(mǎn)足了使用要求。