高壓閘閥閥蓋脫落原因淺析

曹海平

中國石油長慶油田分公司技術(shù)監(jiān)測中心 （陜西 西安 710018）

2014年，長慶油田共采購高壓螺紋連接內(nèi)壓自緊式閥蓋閥門1 035只，入質(zhì)量檢驗(yàn)中有104只不合格，不合格率為10.04%，主要是閥體與閥蓋連接螺紋部位滲漏，如圖1所示。強(qiáng)度試驗(yàn)時有2只Z41Y-2500Lb DN15的閥門閥蓋連接螺紋脫落，閥蓋突然飛出，所幸未造成人員傷害，此事引起相關(guān)部門的重視，并暫停該廠家同型號、同規(guī)格閥門供貨，進(jìn)行了原因分析。

圖1 閥蓋滲漏部位圖

1 檢查與分析

1.1 宏觀檢查與過程分析

從圖2可以看出，該閥門閥蓋連接絲扣出現(xiàn)脫絲，螺紋部分已經(jīng)損壞。從圖3的壓力試驗(yàn)曲線可知，閥門的試驗(yàn)壓力為63.7MPa，保壓2.69s后壓力突然下降，閥門試驗(yàn)在過程中并未出現(xiàn)超壓現(xiàn)象。

圖2 閥蓋脫落實(shí)物圖

1.2 結(jié)構(gòu)分析與尺寸檢查

閥門結(jié)構(gòu)如圖4所示，連接部位由閥體、閥蓋、密封環(huán)和浮動蓋組成。擰緊閥體和閥蓋的螺紋，浮動蓋2在閥門內(nèi)壓力的作用下向上運(yùn)動，壓緊密封環(huán)，即可起到自行密封，確保連接部位不滲漏。

圖4 閥門結(jié)構(gòu)示意圖

經(jīng)測量，該閥門閥蓋螺紋外徑為51.85mm，閥體螺紋外徑為52.04mm，螺距為1.5mm，螺紋部位長度為30mm。當(dāng)螺距為1.5mm時，外螺紋基本偏差為-0.045mm，內(nèi)螺紋基本偏差為+0.032mm,可見螺紋存在加工誤差。

1.3 材質(zhì)分析

查詢出廠技術(shù)資料，該閘閥的閥體、閥蓋材料為A105鋼，用直讀光譜儀對閥體和閥蓋進(jìn)行化學(xué)成分分析，其結(jié)果如表1所示。測試結(jié)果表明,該閥門的閥體和閥蓋材料的元素含量符合GB/T 12228-2006《通用閥門 碳素鋼鍛件技術(shù)條件》中A105鋼的技術(shù)要求[1]。

1.4 強(qiáng)度校核

1.4.1 螺紋的剪切面積校核

由于介質(zhì)內(nèi)壓力的作用，在閥蓋橫截面上產(chǎn)生拉伸應(yīng)力。

查GB/T 12224-2005[2]，螺紋連接的閥體組件，螺紋的剪切截面積應(yīng)符合：

式中：PN為設(shè)計閥門的公稱壓力，PN=420Kg/cm2；Ag為由墊片或其他密封件的有限周邊所限定的面積，因墊片密封中徑d墊片=5.79cm，則為螺栓抗剪應(yīng)力有效面積，因螺紋外徑d=5.2cm，則

表1 化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%

由此可知，螺紋的剪貼載面積為218.69≤232，螺紋的剪切載面積滿足要求[3-5]。

1.4.2 螺牙強(qiáng)度校核

1）螺紋副抗擠壓強(qiáng)度校核。

把螺紋牙展開相當(dāng)于一根懸臂梁，螺牙之間的擠壓應(yīng)力不應(yīng)超過許用擠壓應(yīng)力，否則便會產(chǎn)生擠壓破壞。根據(jù)《現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計手冊》[6],σp=F/A≤[σp]且 F/A=F/(πd2hz)

若取[σp]=[σ]，則有 F/(πd2hz)≤[σ]

式中：σp為擠壓應(yīng)力，MPa； [σp]為許用擠壓應(yīng)力，Mpa取σS=250MPa[2]，ASTM標(biāo)準(zhǔn)材料安全指數(shù)為 1.5，則[σp]=156.25MPa；F 為軸向力，N，因閥門強(qiáng)度試驗(yàn)壓力 P為 42×1.5=63MPa， 故πd2P=133726.32N；d2為 外 螺 紋 中 徑 ，mm；d2=51.026mm螺紋性能等級為10.9級；h為螺紋工作高度，mm，p為螺距，p=1.5mm,對于普通螺紋 h=為結(jié)合圈數(shù)，無量綱，一般不超過10（因旋合的各圈數(shù)螺紋牙受力不均，z不宜大于 10）, 故取 z=6；σp=171.31MPa＞[σp]螺紋副抗擠壓強(qiáng)度不能滿足要求。

2）抗剪切強(qiáng)度校核。

式中：d1為螺紋小徑，mm；d1=50.376mm；b 為螺紋牙底寬度，mm；b與 p之間的關(guān)系為 b=0.75p=1.125mm；[τ]為許用剪應(yīng)力，MPa；對于材質(zhì)為鋼，一般取[τ]=0.6[σP]=93.75MPa；τ=125.24MPa≤[τ]螺紋抗剪切強(qiáng)度足夠。

可見，該廠制造的此類型閥門螺紋副抗擠壓強(qiáng)度不能滿足要求。針對此類問題，查看了2個不同廠家同類型的閥門設(shè)計資料，其結(jié)構(gòu)和幾何完全一致，

只是閥蓋螺紋的螺距為2mm。

則 σp=129.63MPa＜[σp]螺紋副抗擠壓強(qiáng)度滿足要求。

2 結(jié)論

1）閥蓋螺紋螺距選擇不合理是導(dǎo)致閥門在試驗(yàn)過程中閥蓋脫落的主要原因，螺紋加工誤差是影響連接強(qiáng)度的次要原因。

2）螺紋連接壓力自緊式閥蓋雖然結(jié)構(gòu)簡單，但銹蝕后拆卸困難，而且擰動閥蓋會使閘板與閥座接觸面之間發(fā)生摩擦，如果閥體與閥蓋連接不緊密、密封環(huán)損壞，容易出現(xiàn)滲漏，應(yīng)用在中壓、小口徑又不需拆卸的閥門上。

3）在石油化工介質(zhì)中的高溫高壓閥門，閥體與閥蓋盡量采用螺栓、螺母連接或閥體與閥蓋用螺紋連接，全焊密封。如果采用螺紋連接閥蓋應(yīng)有防松措施，在旋合長度一定的條件下，應(yīng)選擇較大螺距。

[1]GB/T 12224-2005鋼制閥門 一般要求[S].

[2]GB/T 12228-2006通用閥門 碳素鋼鍛件技術(shù)條件[S].

[3]API 600-2009鋼制法蘭和對焊連接閘閥[S].

[4]JB/T 7746-2006緊湊型鋼制閥門[S].

[5]JB/T 7747-2010針形截止閥[S].

[6]秦大同，謝里陽.現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計手冊：第1卷[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.