铸锻阀门承压壳体裂纹分析与处理

铸锻阀门承压壳体裂纹分析与处理

李文利

浙江省特种设备科学研究院， 浙江 杭州 310000

摘要：本文基于对阀门壳体的概述，对铸锻阀门承压壳体裂纹产生的过程与形式，产生的原因与机理进行了分析，并给出了防止阀门铸锻件产生裂纹缺陷需要注意的工艺规程和操作方法，以供参考。

关键词：阀门；承压件；热加工；裂纹；缺陷检测

引言：阀门是目前控制液体中最常用的一种材质，阀门其实就是流体输送系统的控制部件，阀门具有非常好的截止性能，对液体具有调节功能，导流功能性强也是非常强的。所以阀门在液体运输，气体运输时候所起的作用是非常大的。而且阀门还具有非常好的防腐蚀，防水性能。故此，为更好地发挥其使用价值，需要针对铸锻阀门承压壳体裂纹分析与处理予以分析。

1. 阀门壳体概述

一般而言，阀门壳体材质的主要有以下几种：①灰铸铁：灰铸铁适用于公称压力PN≤1.0MPa，温度为－10℃～200℃的水、蒸汽、空气、煤气及油品等介质。②可锻铸铁：适用于公称压力PN≤2.5MPa，温度为－30～300℃的水、蒸汽、空气及油品介质。③球墨铸铁：适用于PN≤4.0MPa，温度为－30～350℃的水、蒸汽、空气及油品等介质。鉴于目前国内工艺水平，各厂参差不齐，用户又往往不易检验。根据经验，建议PN≤2.5MPa，阀门还是采用钢制阀门为安全。④耐酸高硅球墨铸铁：适用于公称压力PN≤0.25MPa，温度低于120℃的腐蚀性介质。⑤碳素钢：适用于公称压力PN≤32.0MPa，温度为－30～425℃的水、蒸汽、空气、氢、氨、氮及石油制品等介质。⑥铜合金：适用于PN≤2.5MPa 的水、海水、氧气、空气、油品等介质，以及温度－40～250℃的蒸汽介质。⑦高温铜：适用于公称压力PN≤17.0MPA、温度≤570℃的蒸汽及石油产品。具体选用必须按照阀门压力与温度规范的规定。⑧低温钢，适用于公称压力PN≤6.4Mpa，温度≥-196℃乙烯，丙烯，液态天然气，液氮等介质。⑨不锈耐酸钢，适用于公称压力PN≤6.4Mpa 、温度≤200℃硝酸，醋酸等介质。阀门壳体的材质是非常特殊的，例如最常见的几种是铬钼钢阀门，铬钼钒钢阀门，双相钢阀门，塑料阀门，非标订制阀门等。按功能可以分为气动和液动阀门、手动阀门两种。但是不管哪一种门阀都具有非常好的防火，防水，耐磨等特性。然而，阀门壳体通常是通过铸造和锻造工艺成型，阀门壳体的铸造和锻造工序繁杂，生产周期长，工艺要求高。生产过程中的任何差错都会带来各种缺陷，其中就包含各种裂纹缺陷，使得其使用效果性能出现问题。

2. 常见裂纹及成因

阀门壳体常见裂纹分为铸件裂纹、锻件裂纹和热处理裂纹。铸件裂纹与铸件浇注后高温（高于400℃）开箱，铸件缺陷焊补工艺过程中未预热或焊材用错，及铸件铸造工艺设置缺陷造成内部缩孔缩松集中偏析等原因有关。锻件裂纹与始锻温度过高，终锻温度过低，锻料非金属夹杂偏析等原因有关。

1. 铸件壳体裂纹

以CS合金铸钢闸阀阀体在400 0C ,2 MPa正常工况运行中发生了液体泄漏为例进行分析。阀门在出厂前经过水压强度试验，并未发现泄漏，但在现场使用几天就发生壳体泄漏，几处泄漏均发生在端法兰根部。

第一，内部缺陷。对阀体A端法兰根部出现的裂纹金相分析表明，阀体法兰根部内部组织存在大量连续的缩孔缩松和枝晶偏析缺陷，这些缺陷破坏了铸件金属基体的连续性，降低了金属基体应有的抗拉强度和塑性，这是裂纹产生的源头。因阀体法兰根部较与之相连的法兰和通径部位更厚，而铸件的厚薄相交部位是一个容易引起铸造缩孔缩松的部位，此例显然是铸造工艺设置不当钢水补缩不良所致^[1]。在高温高压工况的连续冲击下，从内部缩孔缩松偏析上产生裂纹再延伸到外部，终致阀体内液体泄漏。

2. 铸件浇筑后开箱过早。铸钢件浇注后应在砂箱中逐步冷却，并根据钢种一般在200一400℃以下开箱，特别是合金钢铸件。过早开箱极易因热应力过大而导致裂纹。一旦在清砂环节发现了裂纹，应在热处理前按工艺进行焊补。

3. 补焊工艺缺陷。对阀体B端法兰根部出现的裂纹分析表明，此部位为补焊区域，其补焊金属与基体间有一裂纹并向外贯穿到表面。检测发现，阀体是合金钢铸件，补焊时未按工艺对基体缺陷处进行预热和焊后消应处理，焊条性能与阀体材料性能不符。经对焊补区的硬度检测，硬度达到450 HB。根据高硬度是裂纹的敏感因素，以及补焊区域与基体硬度差应小于2HRC原理，不当焊补与超高硬度是裂纹的根源。于是，在管道压力反复冲击下形成裂纹。

2. 锻件壳体裂纹

以Class 900蒙乃尔合金球阀锻制阀盖在强度试验时，在规定的试验压力下突然于阀盖通径中间出现外部裂纹为例进行分析。

1. 始锻温度过高。蒙乃尔合金是一种耐氢氟酸的高温合金，其热加工工艺是材料经真空冶炼、锻造、热处理、机加工。缺陷研究发现，阀盖的锻造加温区间较窄，材料升温加热无红外温控仪，仅凭目测观察定温，以致锻料加热温度过高造成材料晶粒粗大，晶界加粗，晶间结合力减弱，强度塑性下降，经空气锤反复锻打（拔长）在晶界上出现裂纹，称为沿晶裂纹。在高压下裂纹由里往外扩展到阀盖表面，造成壳体泄漏。

2. 内部缺陷。材料内部存在各类氧化物、硫化物、氮化物及硅酸盐等夹杂物和疏松及偏析等缺陷，如夹杂物严重超标并沿晶界分布，会导致晶界结合力弱化，晶界熔点降低，高温下极易在晶界产生微裂纹。一旦受到外力作用，微裂纹便会延伸扩展到锻件表面，造成事故。因此，一些严苛工况用阀门，对铸锻件夹杂物含量等一般都会提出具体要求，以免使用过程中发生裂纹事故。

3. 始锻温度过低或终锻温度过低。 锻造过程中，始锻温度偏低或终锻温度偏低时，合金变形抗力增大，塑性下降，如果进行锻件加工会出现加工硬化，同样也会造成裂纹。但金相显示裂纹或与晶界相交，或无规则分布在晶界内，并不沿晶分布，称为穿晶裂纹。

3. 热处理裂纹

1. 快速升温。阀门铸锻件进行热处理时应缓慢升温，一般不大于200℃/h，合金钢不大于150℃/h，高合金钢件要求冷炉进炉随炉升温，并设置温度梯度，减少温差，避免升温过快热应力过大形成开裂。

2. 温度过高或保温时间过长。铸锻件热处理时加热温度过高与保温时间过长都会引起材料晶粒长成粗大，晶界弱化结合力下降，在外力作用下产生裂纹。金相显示，过热或过烧温度越高，晶界裂纹越粗大。

3. 裂纹的防范和检查

1. 重视铸锻件采购检验等各环节，合金钢应加大外表抽验频率，层层落实质量控制。

2. 根据ASME 816. 34规定的级别和部位，对阀体和阀盖等毛坯铸锻件进行射线、超声波和液体渗透检查。做好防范工作。

3. 机加工时注意阀体法兰与根部间的圆弧过渡，切忌法兰反平面与通径外表面呈直角，造成法兰根部应力集中^[2]。

4. 铸件缺陷补焊应制定补焊工艺和对工艺进行合格评定，严苛工况阀门缺陷补焊后还应进行无损探伤检测。热处理操作必须严格按工艺执行，并定期检测温控仪。

5. 阀门出厂试验建议整体埋入水中，阀门壳体表面如有细小裂纹则可在出厂前发现并处理。

结束语：综上所述，阀门承压壳体的裂纹虽是一种常见缺陷，对运用于煤化工、硫化氢和其他高温高压工况，是一种致命缺陷。因此，应严格执行阀门铸锻工艺规程和提高阀门的热处理操作的质量意识，配备必要的检测手段，确保阀门的安全和可靠。

参考文献：

[1] 王晨. 660MW机组高压铸造阀门壳体裂纹原因分析及处理[J]. 河北电力技术， 2015(02):52-54.

[2] 陆文斌. 铸锻阀门承压壳体裂纹分析与处理[J]. 阀门， 2019, 222(02):41-43.