地下井室內(nèi)燃?xì)夥派⒐茳S銅球閥閥體裂紋成因分析
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)夤艿郎鲜褂脟鴥?nèi)某品牌的絲扣黃銅球閥，從使用性能以及對廠家的定期監(jiān)檢上來看，其質(zhì)量較為穩(wěn)定可靠。
1、問題表現(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?a target="_blank" href="http://m.genius-power.com/valve/ball-valve/">黃銅球閥閥體出現(xiàn)裂紋漏氣，而且數(shù)量呈逐步增多的趨勢。通過調(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，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，在對問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
通過廠家了解到閥體材料為鉛黃銅，牌號為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/T5231-2001)規(guī)定HPb59-1主要成分見表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)量問題
我公司已安裝使用了上百萬個(gè)該品牌的絲扣黃銅球閥，出現(xiàn)閥體龜裂的數(shù)量僅為幾百個(gè)，所占比例非常小。從拆除的問題閥門生產(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)批次上的問題。
生產(chǎn)廠家對每批次原料都會進(jìn)行抽檢，對產(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)制造過程中發(fā)生問題，在其中任何一個(gè)環(huán)節(jié)都會被發(fā)現(xiàn)。
3.2、安裝質(zhì)量問題
過去發(fā)現(xiàn)黃銅球閥絲扣裂紋時(shí)，原來總是判斷放散管閥門絲堵頂部與井蓋之間的間距過小，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，對閥體絲扣張力過大的情況。
我們要求生產(chǎn)廠家對不同批次的閥門進(jìn)行了扭力測試，在對DN20的黃銅球閥絲扣端旋入管錐螺紋時(shí)，當(dāng)扭力為200Nm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)300Nm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)力腐蝕問題
通過與廠家技術(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，長期存放于含氨氣或二氧化硫等介質(zhì)中，會產(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)人員一同對拆除下來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)沒有出現(xiàn)問題，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)過下料、鍛壓、金加工、裝配完成，在其金加工程序后，沒有進(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)，錐螺紋會對球閥絲扣端施加一個(gè)脹擴(kuò)的附加拉應(yīng)力。因沒有配備扭力扳手，施加的拉應(yīng)力還會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。可以推斷黃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，會過早地使閥體產(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”。問題閥門的絕大部分閥體外表面有銅綠銹蝕，也說明了這個(gè)問題。
4.3、NH3或SO2等介質(zhì)的來源
4.3.1、NH3介質(zhì)的可能來源
(1)NH3來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，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)的氨氣通過土壤的滲透進(jìn)入燃?xì)饩摇?/p>
4.3.2、SO2介質(zhì)的可能來源
(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20mg/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)生的位置來判斷，天然氣成分中H2S的影響可能有，但不會太大。
(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)部分溶解在水中會隨雨水流入井室。
通過分析，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。通過對黃銅原料添加元素而減小自裂傾向，會提高整體黃銅球閥原材料的采購成本，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
可以對黃銅冷加工制品或半制品進(jìn)行低溫(260~300℃)退火來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)過低溫退火處理的黃銅球閥牌號，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)，本身會對閥體產(chǎn)生附加應(yīng)力。采用螺紋環(huán)規(guī)量具對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、對季裂環(huán)境的隔離
建議在平時(shí)不使用放散閥時(shí)，對地下井室內(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
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，這種問題也提示我們對每一種燃?xì)庠O(shè)備和材料的應(yīng)用還需要對不同的環(huán)境條件適用性進(jìn)行相應(yīng)的評估。
