閘閥閥座變形原因分析及改良措施

閘閥閥座變形原因分析及改良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(jié)合的方法，對閘閥開展了宏觀分析、微觀分析、閥板厚度分析以及材質(zhì)理化性能檢驗。結(jié)果說明，閥板加工質(zhì)量差和閥座裝配不當(dāng)導(dǎo)致閥座受到閥板大的擠壓力和摩擦力作用產(chǎn)生變形。提出了改良措施，取得了良好效果。

閘閥是一種使用廣泛的閥門，主要用來接通和截斷管路中的介質(zhì)。根據(jù)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(qiáng)制密封。由于強(qiáng)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的嚴(yán)密結(jié)合來到達(dá)密封，由于楔入過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(dǎo)致泄漏。為提高楔形閘閥的可靠性和延長其使用壽命，很多學(xué)者從材料、構(gòu)造和受力等方面開展了研究，但現(xiàn)場楔形閘閥失效事故仍時有發(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(xiàn)場第1次水壓試驗后就產(chǎn)生了失效。試驗中工作人員關(guān)閉閘閥后開啟，再次關(guān)閉閘閥后發(fā)現(xiàn)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，探討防止此類事故發(fā)生的措施和方法。1、宏觀分析

剖開閘閥本體后發(fā)現(xiàn)閘閥內(nèi)部A閥座已發(fā)生大的變形(如圖1)，A閥座局部內(nèi)凹、變形嚴(yán)重，左下側(cè)部位已脫離和本體的螺紋嚙合。

圖1本體剖開后的A閥座外觀

圖2A閥座外觀形貌

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

A閥座端面區(qū)域II和區(qū)域III局部破碎嚴(yán)重，區(qū)域II分布有2處發(fā)射狀小裂紋，顯示擠壓破碎形貌，區(qū)域II還可見從圓內(nèi)側(cè)點(diǎn)1到圓外側(cè)點(diǎn)2再到圓內(nèi)側(cè)點(diǎn)3的圓弧線擠壓痕跡(如圖2)。

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

圖3閥板A面外觀形貌2、閥座表面微觀分析

對圖2中的區(qū)域II開展電子顯微鏡觀察，如圖4，可見裂紋以集中區(qū)(圖中雙點(diǎn)劃線圓)為中心呈放射狀擠壓破碎形貌，所以區(qū)域ò受到了局部擠壓作用。對區(qū)域II平整處顯微觀察發(fā)現(xiàn)有摩擦損傷形貌(如圖5)。

圖4A閥座區(qū)域II微觀形貌

圖5A閥座區(qū)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方位開展厚度測量，最下端為起始零點(diǎn)，按逆時針方向逐一測量。以密封環(huán)中心圓方位角為橫坐標(biāo)，以測量點(diǎn)厚度值為縱坐標(biāo)畫折線圖(如圖6)。由圖6可見，密封環(huán)中心圓對稱位置處厚度有較大差異，呈現(xiàn)不對稱性，另外180b方位處(圖3最上端)厚度明顯偏小，這將嚴(yán)重影響閥板和閥座貼合的嚴(yán)密度，閥板開啟和關(guān)閉過程中在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、閥板和本體開展化學(xué)成分分析，對本體開展縱向拉伸和橫向沖擊試驗，結(jié)果符合SY/T5127-20**標(biāo)準(zhǔn)和廠家規(guī)范要求。對閥座基體開展金相分析，結(jié)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(qū)，嚴(yán)重破碎區(qū)域II主裂紋貫穿整個硬化層，主裂紋附近分布有縱多微小裂紋;宏觀觀察發(fā)現(xiàn)區(qū)域II破碎區(qū)裂紋以集中區(qū)為中心呈擠壓破碎形貌，區(qū)域II宏觀可見擠壓殘留的圓弧線痕跡，微觀觀察可見表面摩擦形貌;A閥座3處破碎區(qū)表面硬化層及附近基體有向閥板開啟方向的殘留位移。B閥座變形呈橢圓形，其短軸方向平行于閥板開啟方向。據(jù)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啟方向。

如果A閥座和B閥座裝配后的兩表面楔形間距過大，閥板在閥桿的帶動下可移動到本體內(nèi)部最底端(如圖8b)。正常情況下，閥座下邊緣離本體內(nèi)部空間最下端距離為20mm(如圖8c)，而閥板在極限位置時的接觸面內(nèi)圓最下邊緣離本體內(nèi)部空間最下端距離為17mm(如圖8b)，所以閥板在圖8b極限位置開啟上移過程中下部內(nèi)倒角邊沿會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(yán)重破碎區(qū)和閥板A面粘結(jié)金屬區(qū)方位呈對稱性，說明這2處是閥座和閥板密封接觸時的對應(yīng)部位，此現(xiàn)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(nèi)部過極限位置開啟上移過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、改良措施及效果

a)改良閥板兩環(huán)形密封面的加工工藝，在保證兩密封面平面度的同時保證兩密封面的對稱性。

b)安裝新的閥座，調(diào)整閥座兩密封表面間楔形空間至閥板移動到預(yù)定位置時到達(dá)良好密封。

c)加強(qiáng)對使用前和使用后閘閥的檢測，防止有損傷或存在其他缺陷的閘閥進(jìn)入現(xiàn)場使用。

d)安裝新的閥板和閥座后重新對閘閥開展水壓試驗，結(jié)果合格，后期油田現(xiàn)場對閘閥開啟和關(guān)閉32次也未發(fā)現(xiàn)閘閥發(fā)生泄漏或損壞。7、結(jié)論

1)閥板兩側(cè)楔形表面平面度差，兩側(cè)平面與中心面不對稱，嚴(yán)重影響了閥板和閥座的密封性能，并且導(dǎo)致閥板楔入和開啟過程中對閥座