分水器破裂原因分析

李梅　尚燦　鄧欽球　周升升

摘 要：采用外觀觀察、尺寸測量、金相檢驗(yàn)、靜液壓強(qiáng)度、有限元受力狀態(tài)分析、低溫結(jié)冰試驗(yàn)、微觀形貌觀察以及能譜分析等方法對分水器破裂進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，分水器絲堵破裂和尺寸結(jié)構(gòu)不符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求有關(guān)，當(dāng)遇到寒冷天氣時，分水器內(nèi)部水結(jié)冰，體積膨脹，承載能力大幅降低，從而導(dǎo)致分水器破裂。

關(guān)鍵詞：絲堵；結(jié)冰；破裂

中圖分類號：TG146.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）10-0082-03

鉛黃銅因具有優(yōu)良切削性能、耐磨性能且成本低廉而廣泛應(yīng)用于各類絲堵中。絲堵在使用過程中，會受到內(nèi)應(yīng)力和工作應(yīng)力的共同作用，一旦開裂失效會造成漏水事故的發(fā)生，產(chǎn)生嚴(yán)重后果。秦文玲等人[1]發(fā)現(xiàn)絲堵裂紋與加工過程質(zhì)量控制不當(dāng)有關(guān)。鮮寧等人[2]研究發(fā)現(xiàn)，絲堵斷裂與硫化物應(yīng)力腐蝕有關(guān)，其主要原因是材料硬度和密封結(jié)構(gòu)不合理。某型號地暖分水器在使用過程中發(fā)生絲堵開裂，造成漏水事故。為了探明該分水器絲堵開裂的原因，本文對其進(jìn)行失效分析。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)樣品為分水器（含開裂絲堵）和未開裂絲堵，分別為1#和2#，如圖1所示。采用LEICA S8APO體視顯微鏡對開裂絲堵進(jìn)行宏觀檢查，對2#進(jìn)行尺寸測量。OLYMPUS BX51M光學(xué)顯微鏡對開裂絲堵進(jìn)行金相組織。對未開裂絲堵進(jìn)行靜液壓強(qiáng)試驗(yàn)和低溫結(jié)冰試驗(yàn)。對開裂絲堵和標(biāo)準(zhǔn)絲堵結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。開裂絲堵和為開裂絲堵形貌觀察和能譜分析在HITACHI S-4800掃描電子顯微鏡上進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 外觀檢查與尺寸測量

對1#樣品絲堵進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)絲堵在平面上存在Ⅰ、Ⅱ兩處連續(xù)開裂，裂紋分別沿絲堵內(nèi)圈和沿絲堵六角根部延伸，如圖2所示。

對2#樣品尺寸進(jìn)行測量并畫出結(jié)構(gòu)示意圖，如圖3所示，測量結(jié)果如表1所示。絲堵尺寸S、L2均小于CJ/T 251-2007《銅分集水器》的要求，六角結(jié)構(gòu)與該標(biāo)準(zhǔn)要求八角結(jié)構(gòu)不符。

2.2 金相檢測

對1#絲堵進(jìn)行金相檢驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示，發(fā)現(xiàn)絲堵組織為α+β相組織，組織均勻，游離鉛相細(xì)小且分布均勻，未發(fā)現(xiàn)絲堵存在氣孔、夾雜等鑄造缺陷。

2.3 靜液壓強(qiáng)度試驗(yàn)

將2#樣品安裝至1#樣品分水器主體并進(jìn)行靜液壓強(qiáng)度試驗(yàn)，對分水器施加2.4MPa壓力，保壓2min，結(jié)果未發(fā)現(xiàn)絲堵存在有影響正常使用的殘余變形。

2.4 有限元受力狀態(tài)分析

為了驗(yàn)證壓力對平面絲堵尺寸結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)平面絲堵結(jié)構(gòu)的影響，對斷裂平面絲堵和標(biāo)準(zhǔn)平面絲堵進(jìn)行有限元受力狀態(tài)分析，在施加2.4MPa壓力的條件下，涉案平面絲堵在六角根部和絲堵內(nèi)圈根部存在較大應(yīng)力，應(yīng)力值可達(dá)309.05MPa，高于標(biāo)準(zhǔn)平面絲堵八角中心位置最大應(yīng)力值40.186Mpa，如圖5所示。

2.5 低溫結(jié)冰試驗(yàn)

將2#樣品安裝至1#樣品分水器主體，對分水器內(nèi)部注水并對其進(jìn)行密封并放入溫度零攝氏度以下的環(huán)境中結(jié)冰處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)2#樣品在平面處發(fā)生變形及連續(xù)開裂，裂紋分別沿絲堵內(nèi)圈和沿絲堵六角根部延伸，如圖6所示。

2.6 掃描電鏡與能譜分析

對1#樣品絲堵斷口和經(jīng)低溫冷凍處理后的2#樣品斷口微觀形貌進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)斷口表面均含有大量韌窩，如圖7所示。對1#樣品絲堵基體及表面、2#樣品基體及表面進(jìn)行能譜分析，如圖8所示，結(jié)果發(fā)現(xiàn)1#樣品絲堵基體與2#樣品基體主要元素均為銅（Cu）、鋅（Zn）、鉛（Pb）等元素；1#樣品絲堵表面與2#樣品表面主要元素均為鎳（Ni）。

3 分析與討論

由外觀檢查與尺寸測量可知，絲堵在平面上存在Ⅰ、Ⅱ兩處連續(xù)開裂，裂紋分別沿絲堵內(nèi)圈和沿絲堵六角根部延伸。絲堵尺寸S、L2均小于CJ/T 251-2007《銅分集水器》的要求，六角結(jié)構(gòu)與該標(biāo)準(zhǔn)要求八角結(jié)構(gòu)不符。由金相顯微組織檢查可知，斷裂絲堵組織均勻，游離鉛相細(xì)小且分布均勻，未發(fā)現(xiàn)絲堵存在氣孔、夾雜等鑄造缺陷。

由靜液壓強(qiáng)度試驗(yàn)可知，未開裂絲堵2#可耐受2.4MPa壓力，保壓2min的試驗(yàn)條件，無影響正常使用的殘余變形，無開裂。經(jīng)有限元受力狀態(tài)分析可知，平面絲堵在六角根部和絲堵內(nèi)圈根部為應(yīng)力集中處，平面絲堵較標(biāo)準(zhǔn)平面絲堵出現(xiàn)開裂的可能性高。通過低溫結(jié)冰試驗(yàn)可知，分水器內(nèi)部充滿水在低溫環(huán)境下結(jié)冰時，絲堵在平面處發(fā)生變形及連續(xù)開裂，裂紋分別沿絲堵內(nèi)圈和絲堵六角根部延伸。

由掃描電鏡與能譜分析可知，1#樣品絲堵基體與2#樣品基體主要元素均為銅（Cu）、鋅（Zn）、鉛（Pb）等元素；1#樣品絲堵表面與2#樣品表面主要元素均為鎳（Ni），因此結(jié)構(gòu)及表面成份與絲堵斷裂沒有關(guān)系。

通過上述分析，分水器絲堵尺寸結(jié)構(gòu)不符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，導(dǎo)致其承載能力大幅降低，當(dāng)遇到寒冷天氣時，分水器內(nèi)部水結(jié)冰，體積膨脹，從而導(dǎo)致分水器破裂。

4 結(jié)語

分水器絲堵破裂和尺寸結(jié)構(gòu)不符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求有關(guān)，當(dāng)遇到寒冷天氣時，分水器內(nèi)部水結(jié)冰，體積膨脹，承載能力大幅降低，從而導(dǎo)致分水器破裂。

參考文獻(xiàn)

[1]秦文玲.高壓空冷器Incloy825絲堵產(chǎn)生裂紋分析[J].機(jī)電技術(shù)，2012，（06）：59-60.

[2]鮮寧，王秦晉，吳知謙，等.酸性氣田增壓系統(tǒng)空冷機(jī)管束箱絲堵斷裂失效原因[J].天然氣與石油，2009，（4）：16-18.