地下井室內(nèi)燃?xì)夥派⒐茳S銅球閥閥體裂紋成因分析

武漢市天然氣有限公司 肖 嵩 王彥馨

地下井室內(nèi)燃?xì)夥派⒐茳S銅球閥閥體裂紋成因分析

武漢市天然氣有限公司 肖 嵩 王彥馨

對(duì)地下井室內(nèi)絲扣黃銅球閥閥體裂紋的現(xiàn)象進(jìn)行了描述和判斷，對(duì)產(chǎn)生的原因及環(huán)境條件進(jìn)行了分析，并提出了解決建議和措施。

黃銅球閥 絲扣 季裂 應(yīng)力腐蝕

絲扣黃銅球閥因其具有耐腐蝕性、美觀性、易加工成形性、可鍍層裝飾性、經(jīng)濟(jì)性和體積小巧等特點(diǎn)，在燃?xì)庑】趶焦艿郎嫌兄鴱V泛的應(yīng)用。我公司一直在小于DN50燃?xì)夤艿郎鲜褂脟?guó)內(nèi)某品牌的絲扣黃銅球閥，從使用性能以及對(duì)廠家的定期監(jiān)檢上來(lái)看，其質(zhì)量較為穩(wěn)定可靠。

1 問(wèn)題表現(xiàn)

近期接到公司管網(wǎng)運(yùn)行部門的反饋，反映在我公司閥門井室燃?xì)夥派⒐苌宵S銅球閥閥體出現(xiàn)裂紋漏氣，而且數(shù)量呈逐步增多的趨勢(shì)。通過(guò)調(diào)閱管線所上報(bào)的管網(wǎng)泄漏統(tǒng)計(jì)及分析資料發(fā)現(xiàn)從公司要求進(jìn)行管網(wǎng)泄漏統(tǒng)計(jì)報(bào)表制度以來(lái)，每個(gè)月都有十多例的黃銅球閥閥體裂紋泄漏情況發(fā)生，在對(duì)問(wèn)題黃銅球閥分布和安裝位置統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)閥體龜裂的90%以上都出現(xiàn)在閥門井室燃?xì)夥派⒐芎湍追派⒐苌系那蜷y絲口部位裂紋破損，而安裝在登高管上的黃銅球閥僅有幾例，分析原因?yàn)榈孛娉两翟斐晒艿罊M向位移將球閥絲扣部分拉裂引起。

2 產(chǎn)品情況

2.1 原料狀況

通過(guò)廠家了解到閥體材料為鉛黃銅，牌號(hào)為HPb59—1，屬加工黃銅范圍，其為加鉛的銅鋅合金，按其組織為α+β兩相黃銅，在高溫下具有較好的塑性，可進(jìn)行鍛造。

根據(jù)《加工銅及銅合金化學(xué)成分和產(chǎn)品形狀》(GB/T 5231—2001)規(guī)定HPb59—1主要成分見(jiàn)表1。

表1 加工黃銅HPb59—1化學(xué)成分

鉛黃銅冷熱壓力加工性好，其鉛含量為0.8%～1.9%，在黃銅中溶解度僅為0.4%，而常以純鉛相存在，呈點(diǎn)狀分布，這些鉛質(zhì)點(diǎn)的潤(rùn)滑和減磨性能使鉛黃銅的切削性優(yōu)良，切屑易碎，工件表面光潔，適宜熱鍛和自動(dòng)高速車床加工，是閥門中較為常用的銅合金，其鋅含量大于等于37%。

2.2 產(chǎn)品狀態(tài)

絲扣黃銅球閥閥體為銅棒經(jīng)熱鍛壓成型，待拋丸處理后，再進(jìn)行車削金加工。閥體兩端連接管道的絲扣為柱螺紋型式。

3 原因判斷與排除

3.1 產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題

我公司已安裝使用了上百萬(wàn)個(gè)該品牌的絲扣黃銅球閥，出現(xiàn)閥體龜裂的數(shù)量?jī)H為幾百個(gè)，所占比例非常小。從拆除的問(wèn)題閥門生產(chǎn)的時(shí)間上看，也較為分散，分別有：2004年、2007年、2009年及2011年的產(chǎn)品，不是表現(xiàn)在某個(gè)批次上的問(wèn)題。

生產(chǎn)廠家對(duì)每批次原料都會(huì)進(jìn)行抽檢，對(duì)產(chǎn)品有嚴(yán)格的裝配、試驗(yàn)和干燥和完工檢驗(yàn)程序，如果在生產(chǎn)制造過(guò)程中發(fā)生問(wèn)題，在其中任何一個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)被發(fā)現(xiàn)。

3.2 安裝質(zhì)量問(wèn)題

過(guò)去發(fā)現(xiàn)黃銅球閥絲扣裂紋時(shí)，原來(lái)總是判斷放散管閥門絲堵頂部與井蓋之間的間距過(guò)小，在車輛碾壓時(shí)井蓋變形將車輛的動(dòng)荷載轉(zhuǎn)遞到黃銅球閥閥體，引起絲扣部分受橫向力而炸裂。而我公司早已規(guī)范了放散閥與井蓋之間的凈距要求，基本上可以排除上述原因。

問(wèn)題閥體分布位置較為集中，主要地下井室內(nèi)，其它地面以上安裝的閥門很少出現(xiàn)問(wèn)題，鍍鋅管端部絲扣都是由統(tǒng)一的機(jī)械套絲機(jī)加工完成，個(gè)別搶維修時(shí)出現(xiàn)需要手工套絲機(jī)進(jìn)行錐螺紋加工情況時(shí)，可能存在絲扣加工精度不高，對(duì)閥體絲扣張力過(guò)大的情況。

我們要求生產(chǎn)廠家對(duì)不同批次的閥門進(jìn)行了扭力測(cè)試，在對(duì)DN20的黃銅球閥絲扣端旋入管錐螺紋時(shí)，當(dāng)扭力為200 Nm時(shí)，球閥絲扣端發(fā)生形變脹大，未出現(xiàn)裂紋，當(dāng)施加扭力達(dá)300 Nm時(shí)，絲扣端進(jìn)一步形變脹大，仍未出現(xiàn)裂紋，表現(xiàn)出黃銅良好的延展性能。

3.3 電化學(xué)腐蝕和應(yīng)力腐蝕問(wèn)題

通過(guò)與廠家技術(shù)人員溝通，并查閱了相關(guān)資料后我們了解到黃銅產(chǎn)品電化學(xué)腐蝕和應(yīng)力腐蝕方面會(huì)表現(xiàn)為脫鋅和季裂兩種形式：

(1)黃銅產(chǎn)品在大氣和淡水中具有良好的抗腐蝕性能，但在中性鹽類溶液極易發(fā)生電化學(xué)腐蝕，即黃銅的脫鋅現(xiàn)象。其表現(xiàn)形式有均勻的層狀脫鋅和不均勻的帶狀或栓狀脫鋅兩種，其結(jié)果是前者的合金表面層變?yōu)榱W(xué)性能脆弱的銅層，強(qiáng)度下降；后者脫鋅的腐蝕產(chǎn)物為喪失強(qiáng)度的疏松多孔的銅殘?jiān)?，容易早期穿孔?/p>

(2)而黃銅產(chǎn)品在潮濕環(huán)境存放期間會(huì)產(chǎn)生自動(dòng)破裂的現(xiàn)象，也叫黃銅的季裂，是黃銅失效應(yīng)力腐蝕破壞(SCC)的形式之一。有殘余內(nèi)應(yīng)力的黃銅制品，長(zhǎng)期存放于含氨氣或二氧化硫等介質(zhì)中，會(huì)產(chǎn)生沿晶或穿晶破裂；而受拉應(yīng)力的黃銅在淡水、高溫高壓水和蒸汽以及一切含氨(或NH4+)的介質(zhì)中，都可能發(fā)生應(yīng)力腐蝕破裂。

我們與生產(chǎn)廠家技術(shù)人員一同對(duì)拆除下來(lái)的黃銅球閥破損部位進(jìn)行了驗(yàn)查，大部分裂紋細(xì)小，不經(jīng)打磨，肉眼不易分辨，裂紋起始于絲扣連接的端面，其走向垂直絲扣并向閥體中部延伸，絕大部分閥體外表面有銅綠銹蝕，打磨露出黃銅本色，未發(fā)現(xiàn)脫鋅現(xiàn)象。由于我公司發(fā)生裂紋泄漏的球閥在安裝完成一段時(shí)間內(nèi)沒(méi)有出現(xiàn)問(wèn)題，均為安裝運(yùn)行兩年以上時(shí)間發(fā)生，而且發(fā)生的季節(jié)以冬季和夏季居多。根據(jù)以上情況，初步判斷黃銅球閥閥體裂紋是季裂的表現(xiàn)。

據(jù)了解即使是微量的氨也能使受拉應(yīng)力的黃銅產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕破裂，水分或濕氣、O2、SO2、CO2和氰等物質(zhì)都會(huì)加速破裂。黃銅含鋅量少于20%在自然環(huán)境中一般不產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕破裂，含鋅量大于20%的，含鋅量愈高應(yīng)力腐蝕破裂敏感性愈大。

4 發(fā)生季裂的原因分析

絲扣黃銅球閥要發(fā)生季裂，必須具備三個(gè)條件：應(yīng)力、潮濕環(huán)境和NH3或SO2等介質(zhì)。

4.1 殘余應(yīng)力和附加應(yīng)力的產(chǎn)生

根據(jù)廠家提供的生產(chǎn)工藝流程圖可以知道：黃銅棒材經(jīng)過(guò)下料、鍛壓、金加工、裝配完成，在其金加工程序后，沒(méi)有進(jìn)行退火處理工序。黃銅球閥閥體冷加工后存在的殘余應(yīng)力沒(méi)有被消除。

黃銅球閥的絲扣是柱螺紋形式，而鍍鋅管的絲扣為錐螺紋形式，在錐螺紋與柱螺紋套配時(shí)，錐螺紋會(huì)對(duì)球閥絲扣端施加一個(gè)脹擴(kuò)的附加拉應(yīng)力。因沒(méi)有配備扭力扳手，施加的拉應(yīng)力還會(huì)受到鍍鋅管絲扣加工精度、聚四氟生料帶纏繞厚度及旋緊扭矩大小因素的影響變化?？梢酝茢帱S銅球閥的絲扣端部有少量殘余應(yīng)力和較大的附加應(yīng)力存在，當(dāng)內(nèi)應(yīng)力與工作應(yīng)力疊加，會(huì)過(guò)早地使閥體產(chǎn)生微裂紋。

4.2 外部潮濕環(huán)境條件的形成

武漢地處南方，多雨，地下水位偏高，井室內(nèi)易積水，井室內(nèi)環(huán)境較為潮濕。銅在與大氣、水等接觸時(shí)，反應(yīng)生成難溶于水的堿式硫酸銅CuSO4·3Cu(OH)2和堿式碳酸銅CuCO3·Cu(OH)2薄膜，又稱“銅綠”。問(wèn)題閥門的絕大部分閥體外表面有銅綠銹蝕，也說(shuō)明了這個(gè)問(wèn)題。

4.3 NH3或SO2等介質(zhì)的來(lái)源

4.3.1 NH3介質(zhì)的可能來(lái)源

(1) NH3來(lái)自市政道路施工中使用的混凝土外加劑，特別是在冬季施工過(guò)程中，在混凝土中加入尿素(CO(NH2)2)和NH3·H2O為主要原料的混凝土防凍劑，這些含有大量氨類物質(zhì)的外加劑會(huì)隨著溫濕度等環(huán)境因素的變化而還原成NH3從道路混凝土中緩慢釋放出來(lái)，造成井室內(nèi)空氣中NH3的含量大量增加。

(2)與燃?xì)饩蚁嘟奈鬯芎臀鬯覂?nèi)的氨氣通過(guò)土壤的滲透進(jìn)入燃?xì)饩摇?/p>

4.3.2 SO2介質(zhì)的可能來(lái)源

(1)天然氣成分中H2S的影響。由于民用燃?xì)鉃槎愄烊粴猓渲蠬2S含量小于20 mg/m3，因此HPb59—1鉛黃銅在安裝于民用燃?xì)夤苈肺炊说拈y門中也被普遍采用。一方面不是能接觸到天然氣中H2S成分的閥體部位，連接絲堵端部位要比鍍鋅管端的機(jī)會(huì)更大，但發(fā)生裂紋的位置常發(fā)生在與鍍鋅管一端，而非絲堵一端。由于天然氣中H2S含量較低，而且從裂紋發(fā)生的位置來(lái)判斷，天然氣成分中H2S的影響可能有，但不會(huì)太大。

(2)汽車尾氣。汽車尾氣主要污染物為CxHy、NOx、CO、SO2、含鉛化合物、苯丙芘及固體顆粒物等。目前北京、上海、廣州、深圳和南京等五個(gè)城市的汽油和柴油均執(zhí)行國(guó)四標(biāo)準(zhǔn)，汽油中的硫含量小于5.0×10-5/kg，武漢市在2013年7月1日前執(zhí)行國(guó)三標(biāo)準(zhǔn)，硫含量不得大于1.5×10-4/kg，汽車尾氣中SO2含量較高，在下雨時(shí)部分溶解在水中會(huì)隨雨水流入井室。

通過(guò)分析，燃?xì)饩覂?nèi)的黃銅球閥完全具備有黃銅季裂的條件，可以判斷地下井室內(nèi)燃?xì)夥派⒐茳S銅球閥閥體裂紋的成因?yàn)榧玖选?/p>

5 解決的措施及建議

通過(guò)分析后，我公司從以下幾個(gè)方面提出了相關(guān)解決的措施及建議。

5.1 材料的材質(zhì)

為避免黃銅自裂，一般黃銅冷加工制品或半制品，會(huì)采用在黃銅中加人0.02%~0.06%砷(As)或1.0%~1.5%硅(Si)能明顯降低其自裂傾向，在黃銅中加入鋁、鎳、錫也能減輕應(yīng)力腐蝕破裂。通過(guò)對(duì)黃銅原料添加元素而減小自裂傾向，會(huì)提高整體黃銅球閥原材料的采購(gòu)成本，考慮到用在井室放散管上的黃銅球閥用量與在用戶表前閥和尾閥數(shù)量相比較小，不考慮采用。

5.2 生產(chǎn)應(yīng)力的消除

可以對(duì)黃銅冷加工制品或半制品進(jìn)行低溫(260~300℃)退火來(lái)消除制品在冷加工時(shí)產(chǎn)生的殘留內(nèi)應(yīng)力。將我公司用于地下井室內(nèi)燃?xì)夥派⒐茳S銅球閥改為另一種閥體經(jīng)過(guò)低溫退火處理的黃銅球閥牌號(hào)，以消除閥體加工殘余應(yīng)力。

5.3 安裝附加應(yīng)力的控制

黃銅球閥絲扣端為柱螺紋，鍍鋅鋼管端部加工為錐螺紋，錐螺紋旋入柱螺紋時(shí)，本身會(huì)對(duì)閥體產(chǎn)生附加應(yīng)力。采用螺紋環(huán)規(guī)量具對(duì)鍍鋅鋼管端部錐螺紋進(jìn)行抽檢，確保采用機(jī)械套絲機(jī)和手工絲板對(duì)錐螺紋的加工精度，在規(guī)定的旋入螺紋進(jìn)絲深度要求下，減少錐螺紋尺寸加工偏差造成的額外附加應(yīng)力。

5.4 對(duì)季裂環(huán)境的隔離

建議在平時(shí)不使用放散閥時(shí)，對(duì)地下井室內(nèi)燃?xì)夥派⒐茳S銅球閥采用透明塑料袋進(jìn)行包裹封扎，一方面可以隔離潮濕環(huán)境保護(hù)黃銅球閥，另一方面也可以隔離氨氣和二氧化硫等介質(zhì)與黃銅球閥的接觸。

6 結(jié)語(yǔ)

黃銅球閥閥體裂紋泄漏的現(xiàn)象可能在許多有類似應(yīng)用的燃?xì)馄髽I(yè)都存在，我們將逐步落實(shí)相關(guān)措施，并跟蹤后期的效果，這種問(wèn)題也提示我們對(duì)每一種燃?xì)庠O(shè)備和材料的應(yīng)用還需要對(duì)不同的環(huán)境條件適用性進(jìn)行相應(yīng)的評(píng)估。

Analysis on the Crack of Brass Ball Valve in Underground Wells

Wuhan Natural Gas Co., Ltd. Xiao Song Wang Yanxin

This paper describes the interior thread cracking of the brass ball valve in underground wells，analyzing the reason leading to the cracking，and puts forward the suggestion and countermeasures as well.

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