呼吸器氣瓶閥門斷裂原因分析

肖 磊，何承江

(1.上海賽科石油化工有限責(zé)任公司，上海 201507;2.合肥通用機(jī)械研究院有限公司，合肥 230031)

0 引言

在化工生產(chǎn)過程發(fā)生事故時(shí)，空氣呼吸器是消防人員和工廠員工重要的防護(hù)裝置。由于呼吸器工作環(huán)境的特殊性和重要性，呼吸器結(jié)構(gòu)是否安全完整，對(duì)救援任務(wù)和人員防護(hù)具有重要影響。其中氣瓶部件決定了呼吸器能否快速安全地充氣，滿足消防任務(wù)中長(zhǎng)時(shí)間安全穩(wěn)定的呼吸。由于氣瓶具有高壓力，循環(huán)工作的特點(diǎn)，諸多因素影響了氣瓶的工作和充氣過程[1-4]。 同樣需要考慮充氣條件是否導(dǎo)致氣瓶安全問題。

某公司消防呼吸器上的氣瓶閥門處發(fā)生一起爆炸事故。該氣瓶設(shè)計(jì)壽命15年，實(shí)際經(jīng)過10年服役后，其中1處氣瓶在瓶身與閥門連接處發(fā)生斷裂，并直接飛出，氣瓶閥門連接如圖 1所示。氣瓶?jī)?nèi)部介質(zhì)為壓縮空氣,容積6.3 L，工作壓力30 MPa，氣瓶與閥門為螺栓連接。此類氣瓶裝置每3年進(jìn)行一次檢測(cè)，檢測(cè)部分僅為氣瓶和背帶裝置，檢驗(yàn)內(nèi)容沒有包含閥門部分?？紤]到此類氣瓶的閥門可能再次發(fā)生失效，利用超聲檢測(cè)對(duì)80組氣瓶閥門進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)有52組閥門存在相近位置出現(xiàn)裂紋(為不同生產(chǎn)批次)。

圖1 氣瓶閥門連接示意

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

發(fā)生斷裂的閥門斷面如圖 2所示，斷口截面整體平整，斷口截面上有綠色的附著物，推測(cè)為是碳酸銅。本例中閥門與氣瓶為螺紋連接，除與閥門連接的外螺紋外，閥門內(nèi)還有內(nèi)螺紋與導(dǎo)氣管連接。閥門出現(xiàn)斷裂的具體位置為內(nèi)螺紋上部的光管變徑處，對(duì)應(yīng)與外螺紋起始處距離9 mm，如圖 3所示。

圖2 閥門斷口宏觀照片

圖3 閥門斷裂位置示意

1.2 金相分析

取閥門的斷口制樣，在光學(xué)顯微鏡下觀察斷口形貌，如圖 4所示?？梢钥闯?，金相組織由α 相和β相雙相組成，并有大量沿晶裂紋；還可以看出，有兩種形式的裂紋形貌，一種是裂紋穿過β相并將其逐漸溶解，表現(xiàn)為β相上的穿晶裂紋，另一種是沿著α和β相交界處溶解。兩種溶解方式最后的結(jié)果都是將β相溶解，留下α相，斷口上整體表現(xiàn)為沿晶開裂的特征，斷口下有二次裂紋，斷口附近的閥門內(nèi)壁有多處裂紋存在，呈樹枝狀擴(kuò)展，如圖 5所示。

圖4 閥門斷口位置金相照片 500×

圖5 閥門上多處沿晶裂紋 200×

1.3 SEM與EDS分析

圖6 沿晶斷口形貌 1000×

為進(jìn)一步分析閥門上裂紋擴(kuò)展規(guī)律,用掃描電鏡觀察斷口上裂紋特征形貌。在斷口上，觀察到冰糖塊狀形貌，如圖 6所示，為典型的沿晶斷口形貌。

利用能譜測(cè)試分析斷口存在的元素，如表1所示，結(jié)果顯示，除合金基體組成元素以外，還檢測(cè)到C,O,Na元素的存在,其中C,O元素為斷口殘留有機(jī)物和氧化物，有機(jī)物和Na可能源于周圍大氣環(huán)境。

表1 能譜檢測(cè)元素組成 %

1.4 化學(xué)成分分析

為分析閥門所用鉛黃銅材料對(duì)斷裂過程的影響，參照ASTM B 455—2010《Standard Specification for Copper-Zinc-Lead Alloy (Leaded-Brass) Extruded Shapes》中C38000鉛黃銅標(biāo)準(zhǔn)，其中未標(biāo)出雜質(zhì)元素應(yīng)小于0.5%。另外，同樣參照GB/T 5231—2012《加工銅及銅合金牌號(hào)和化學(xué)成分》對(duì)比結(jié)果如表2所示，斷裂閥門的化學(xué)成分基本符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果 %

1.5 硬度測(cè)試

C38000與國(guó)內(nèi)對(duì)應(yīng)的牌號(hào)為HPb59-2，根據(jù)GB/T 5232—1985 《加工黃銅 化學(xué)成分和產(chǎn)品形狀》，H59鉛黃銅硬度在HB103左右，本例在閥門裂紋附近取3點(diǎn)測(cè)量材料的布氏硬度，測(cè)得的硬度平均值為HB104.8(見表3)，硬度符合要求。

表3 閥門硬度測(cè)試結(jié)果

2 有限元分析

由于出現(xiàn)失效的閥門斷裂位置處于內(nèi)孔變徑位置，推測(cè)與該處結(jié)構(gòu)受力過大有關(guān)，為驗(yàn)證斷裂發(fā)生的過程，利用ANSYS有限元軟件進(jìn)行模擬驗(yàn)證。閥門與氣瓶連接的螺紋接頭如圖 1所示，開裂處閥門接頭內(nèi)孔與內(nèi)部介質(zhì)接觸，承受內(nèi)壓為30 MPa，由于接頭的回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，利用Plane 183單元軸對(duì)稱單元建立有限元模型，為分析內(nèi)壁結(jié)構(gòu)與受力開裂過程關(guān)系，在內(nèi)孔不連續(xù)結(jié)構(gòu)處對(duì)網(wǎng)格適當(dāng)加密，建立的有限元模型與邊界條件設(shè)置如圖7所示。根據(jù)所選用鉛黃銅，設(shè)置彈性模量為110 MPa，屈服強(qiáng)度140 MPa，泊松比0.36。

圖7 有限元模型

經(jīng)ANSYS有限元計(jì)算得到模擬的應(yīng)力情況。結(jié)果顯示，閥門接頭內(nèi)壁應(yīng)力整體較大，峰值出現(xiàn)在內(nèi)壁變徑處，約為124.9 MPa，如圖 8(a)所示，與斷裂位置吻合。此外閥門內(nèi)部細(xì)齒螺紋處應(yīng)力水平也很大。內(nèi)壁細(xì)齒螺紋應(yīng)力分布見圖8(b)。其中應(yīng)力峰值出現(xiàn)在最上方一節(jié)齒根處，應(yīng)力值99.99 MPa。其余螺紋牙應(yīng)力最大都在齒根處，且越往下應(yīng)力越小。

(a)連接整體應(yīng)力分布

(b)內(nèi)壁螺紋應(yīng)力分布

圖8 有限元模擬結(jié)果

根據(jù)以上有限元驗(yàn)證分析結(jié)果可以看出，在閥門內(nèi)壁的拐角處和上方第一個(gè)螺紋根部的應(yīng)力值較大，達(dá)99.99 MPa。

3 分析與討論

經(jīng)過宏觀和微觀形貌觀察，裂紋起源于內(nèi)孔應(yīng)力最高的螺紋根部，內(nèi)壁與內(nèi)部壓縮空氣接觸，裂紋擴(kuò)展主要為沿晶開裂形式。斷口上有綠色沉積物，推測(cè)為碳酸銅，斷口表面經(jīng)能譜分析未發(fā)現(xiàn)明顯腐蝕性介質(zhì)存在，同樣硬度測(cè)試和化學(xué)成分測(cè)試結(jié)果均符合標(biāo)準(zhǔn)?？紤]到內(nèi)壁起裂位置與內(nèi)壁結(jié)構(gòu)相關(guān)，經(jīng)ANSYS有限元模擬發(fā)現(xiàn)閥門接頭內(nèi)壁孔徑變化處和內(nèi)螺紋牙底所受應(yīng)力較高。根據(jù)以上分析，裂紋為沿晶開裂，與應(yīng)力腐蝕開裂特征相符?？赡軐?dǎo)致黃銅應(yīng)力腐蝕開裂的介質(zhì)包括NH3，F(xiàn)eCl3，HgNO3，濕SO2，HNO3，HCl(溶液)，H2CrO4,Li,Hg,R-NH2等?？紤]到充氣站附近的氨儲(chǔ)罐，閥門與空氣中的氨氣接觸導(dǎo)致了應(yīng)力腐蝕開裂。

根據(jù)美國(guó)MSHA發(fā)布的一起地下煤礦事故報(bào)告[5]，經(jīng)過對(duì)失效氧氣瓶上的鉛黃銅閥門分析，原因?yàn)楣战翘幇l(fā)生沿晶應(yīng)力腐蝕開裂造成。對(duì)于鋅組成大于20%的黃銅，在具有應(yīng)力腐蝕性介質(zhì)環(huán)境和應(yīng)力共同作用下對(duì)應(yīng)力腐蝕開裂較敏感[6]。關(guān)于黃銅應(yīng)力腐蝕開裂的有關(guān)機(jī)理，有關(guān)研究得出裂紋尖端變色膜周期性破裂模型用于說明黃銅SCC擴(kuò)展過程[7-10]。黃銅在SCC介質(zhì)環(huán)境作用下，表面產(chǎn)生氧化亞銅變色膜，且裂紋尖端發(fā)生膜破裂和再鈍化。電偶電流接近穩(wěn)定狀態(tài)，薄膜厚度增加，當(dāng)薄膜厚度達(dá)到臨界薄膜厚度(CFT)后，拉應(yīng)力與外加應(yīng)力共同作用，導(dǎo)致薄膜破裂，同時(shí)使SCC裂紋擴(kuò)展約一個(gè)CFT。變色膜發(fā)生破裂，SCC擴(kuò)展，溶液進(jìn)入裂紋內(nèi)部。當(dāng)變色膜再次覆蓋新的裂紋尖端時(shí)，表面電偶電流接近穩(wěn)定狀態(tài)，變色膜繼續(xù)開始生長(zhǎng)，直到下一周期薄膜破裂。裂紋尖端形成的變色膜周期性破裂，尖端的裸露金屬在溶液中周期性腐蝕，即是SCC裂紋擴(kuò)展的機(jī)理。

文中理化檢驗(yàn)結(jié)果表明，裂紋符合應(yīng)力腐蝕開裂的形貌特征。根據(jù)ANSYS有限元模擬驗(yàn)證，在裂紋起裂的閥門接頭內(nèi)壁存在應(yīng)力過大結(jié)構(gòu)，滿足SCC發(fā)生的應(yīng)力條件。含氨大氣環(huán)境會(huì)導(dǎo)致黃銅發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂，本例中氣瓶充氣站位于氨儲(chǔ)罐附近，氨儲(chǔ)罐裝置附近空氣中有微量氨存在，隨風(fēng)向變化有進(jìn)入氣瓶充氣間的可能。經(jīng)化學(xué)成分分析，該閥門采用的鉛黃銅含鋅量達(dá)39%，具有較高的“季裂”傾向[11]。含鋅量高于20%的黃銅在夏季潮濕大氣影響下，尤其當(dāng)大氣中含有微量氨時(shí)，極易發(fā)生沿晶間應(yīng)力腐蝕開裂。根據(jù)以上分析，判斷本文中閥門的失效模式即黃銅“季裂”。

4 結(jié)語

(1)呼吸器氣瓶閥門發(fā)生爆裂屬于應(yīng)力腐蝕開裂，由于閥門內(nèi)壁變徑和內(nèi)螺紋牙底應(yīng)力較高，氣瓶介質(zhì)受潮濕含氨鹽大氣影響，閥門內(nèi)壁發(fā)生黃銅“季裂”。

(2)值得注意的是，由于鋅的含量與黃銅強(qiáng)度呈正相關(guān)，不可采用降低鋅含量的方法避免季裂[12]?？紤]到此前檢測(cè)過程中僅對(duì)氣瓶進(jìn)行定期檢查，建議每3年對(duì)氣瓶和閥門同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)于發(fā)現(xiàn)的可能失效，需要盡早檢查和測(cè)試(例如整體的壓力試驗(yàn))。

(3)即使經(jīng)過檢驗(yàn)為合格狀態(tài)的此類閑置氣瓶，仍需要留意其保存問題。對(duì)于有大量氣瓶存放的情況，需要?jiǎng)澐謫为?dú)區(qū)域存放，加裝防護(hù)設(shè)施。避免露天、高溫、潮濕，以及遠(yuǎn)離有腐蝕介質(zhì)存在的環(huán)境。