氣瓶瓶閥斷裂原因

邱康勇, 吳繼權(quán), 賀 艷

(深圳市特種設(shè)備安全檢驗(yàn)研究院, 深圳 518029)

某公司一正常使用的氣瓶瓶閥突然發(fā)生斷裂，該氣瓶瓶閥用在0.6 L的鋁瓶上，新瓶閥與鋁瓶連接圖見(jiàn)圖1。瓶?jī)?nèi)盛裝介質(zhì)為CO2，充裝壓力為6～7 MPa，瓶?jī)?nèi)介質(zhì)溫度約為-20 ℃。該氣瓶瓶閥安裝后氣瓶?jī)H充裝了一次，還沒(méi)出廠瓶閥就發(fā)生了斷裂。瓶閥采用扭力機(jī)進(jìn)行更換，設(shè)定最大扭力為85 N·m。為查明該氣瓶瓶閥斷裂的原因，避免類(lèi)似情況再次發(fā)生，筆者對(duì)其進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析。

圖1 瓶閥與氣瓶連接宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of connection between cylinder valve and cylinder

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀分析

新的氣瓶瓶閥宏觀形貌如圖2所示，其細(xì)螺紋部分與氣瓶相連接，粗螺紋部分為介質(zhì)出口。新的氣瓶瓶閥剖面結(jié)構(gòu)如圖3所示，在細(xì)螺紋附近，分別有兩個(gè)直徑為3 mm和6 mm的圓孔，大、小孔之間有個(gè)圓弧過(guò)渡區(qū)，為應(yīng)力集中區(qū)域。閥體材料為HPb59-1鉛黃銅。

圖2 新瓶閥宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of new cylinder valve

圖3 新瓶閥剖面宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of profile of new cylinder valve

斷裂氣瓶瓶閥斷口形貌如圖4和圖5所示，可見(jiàn)其斷裂位置位于細(xì)螺紋部分。由圖4和圖5可知，斷面形成了高低不平的兩個(gè)臺(tái)階，臺(tái)階一邊位于第1道螺紋處，另一邊位于第3道螺紋處。斷口附近未見(jiàn)明顯的塑性變形，表面存在向四周發(fā)散的放射狀條紋，放射狀條紋的收斂處指向斷口大圓孔邊緣部位，該處即為裂紋源區(qū)域。該區(qū)域斷口表面發(fā)灰，無(wú)金屬光澤[1-2]。最后斷裂區(qū)表面凹凸不平，可見(jiàn)金屬光澤，裂紋由內(nèi)向外擴(kuò)展。瓶閥表面未見(jiàn)明顯的機(jī)械損傷。

圖4 斷裂瓶閥的斷口宏觀形貌Fig.4 Macro morphology of fracture of the fractured cylinder valve

圖5 斷裂瓶閥側(cè)面宏觀形貌Fig.5 Macro morphology of the side of the fractured cylinder valve

1.2 化學(xué)成分分析

在斷裂氣瓶瓶閥上截取化學(xué)成分分析試樣，采用臺(tái)式直讀光譜儀對(duì)其進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1。可見(jiàn)該斷裂氣瓶瓶閥的化學(xué)成分符合GB/T 5231-2012《加工銅及銅合金牌號(hào)和化學(xué)成分》對(duì)HPb59-1鉛黃銅的成分要求。

表1 斷裂瓶閥的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of the fractured cylinder valve (mass fraction) %

1.3 金相檢驗(yàn)

在斷裂氣瓶瓶閥斷口附近截取縱截面試樣，經(jīng)鑲嵌、打磨、拋光后，用FeCl3鹽酸水溶液進(jìn)行浸蝕，試樣顯微組織如圖6所示?？梢?jiàn)其心部顯微組織為α+β+鉛，其中白色為α基體，灰色為β相，黑色為鉛。α基體成帶狀分布,晶粒較粗大,局部有鉛成球粒狀沿晶界分布。圖7為內(nèi)表面大、小孔過(guò)渡區(qū)域處的顯微組織形貌，在拐角處可見(jiàn)1條裂紋。圖8為外表面螺紋處的顯微組織形貌，在螺紋根部同樣可見(jiàn)1條細(xì)小裂紋。

圖6 斷裂瓶閥心部顯微組織形貌Fig.6 Microstructure morphology of core of the fractured cylinder valve: a) at low magnification; b) at high magnification

圖7 斷裂瓶閥內(nèi)表面大、小孔過(guò)渡區(qū)域顯微組織形貌Fig.7 Microstructure morphology of transition zone between big and small holes on the inner surface of the fractured cylinder valve: a) at low magnification; b) at high magnification

圖8 斷裂瓶閥外表面螺紋處顯微組織形貌Fig.8 Microstructure morphology of screw thread on the outer surface of the fractured cylinder valve: a) at low magnification; b) at high magnification

1.4 硬度測(cè)試

對(duì)斷裂氣瓶瓶閥進(jìn)行維氏硬度試驗(yàn)，試驗(yàn)從內(nèi)壁向外壁進(jìn)行，貫穿整個(gè)截面，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，可見(jiàn)其硬度無(wú)明顯差異。

表2 斷裂瓶閥的硬度測(cè)試結(jié)果Tab.2 Hardness test results of the fractured cylinder valve HV5

1.5 斷口掃描電鏡分析

將該斷裂氣瓶瓶閥的斷口置于掃描電鏡(SEM)下進(jìn)行觀察。圖9為裂紋源區(qū)的SEM形貌，可見(jiàn)裂紋源區(qū)表面平整，位于圓弧過(guò)渡處的根部，為應(yīng)力集中區(qū)，裂紋由內(nèi)壁呈放射狀向外壁擴(kuò)展。圖9 b)為裂紋源區(qū)局部放大形貌，該處斷面以沿晶斷裂形貌為主，局部存在大量的二次裂紋[3]。裂紋擴(kuò)展區(qū)、終斷區(qū)同樣以沿晶斷裂形貌為主，且局部存在大量的二次裂紋，裂紋擴(kuò)展區(qū)分布有點(diǎn)狀顆粒物[4]，如圖10和圖11所示。

圖9 斷裂瓶閥裂紋源區(qū)SEM形貌Fig.9 SEM morphology of crack source zone of the fractured cylinder valve: a) at low magnification; b) at high magnification

圖10 斷裂瓶閥裂紋擴(kuò)展區(qū)SEM形貌Fig.10 SEM morphology of crack propagation zone of the fractured cylinder valve

圖11 斷裂瓶閥終斷區(qū)SEM形貌Fig.11 SEM morphology of final fracture zone of the fractured cylinder valve

2 分析與討論

化學(xué)成分分析結(jié)果表明該斷裂氣瓶瓶閥符合GB/T 5231-2012對(duì)HPb59-1鉛黃銅的成分要求，材料與設(shè)計(jì)相符。從斷口宏觀分析可知，斷口的裂紋源位于大、小圓孔過(guò)渡區(qū)的大圓孔根部應(yīng)力集中區(qū)域，裂紋由內(nèi)向外擴(kuò)展，表明斷裂由內(nèi)向外進(jìn)行。斷口局部發(fā)灰，終斷區(qū)有金屬光澤，表明整個(gè)斷口不是一次形成的。發(fā)灰部分?jǐn)嗫谠谄块y整體發(fā)生斷裂前已產(chǎn)生。

由金相檢驗(yàn)結(jié)果可知，氣瓶瓶閥內(nèi)壁、心部及外壁螺紋處的顯微組織均為α+β+鉛，無(wú)明顯差異，與硬度測(cè)試結(jié)果吻合，其中白色為α基體，灰色為β相，黑色為鉛，α基體成帶狀分布，晶粒較為粗大。局部有鉛成球粒狀沿晶界處分布，造成晶界弱化，力學(xué)性能下降[5]。在內(nèi)表面大、小孔過(guò)渡區(qū)域拐角處可見(jiàn)1條裂紋，裂紋沿著晶界穿過(guò)，與斷口的沿晶斷裂形貌吻合。外表面螺紋根部處同樣可見(jiàn)1條細(xì)小裂紋，由于裂紋是從內(nèi)向外擴(kuò)展的，所以該處裂紋與氣瓶瓶閥的斷裂無(wú)直接關(guān)系。

從斷口SEM分析結(jié)果可知，整個(gè)斷口均以沿晶斷裂為主，局部存在大量的二次裂紋，表明斷裂在大應(yīng)力下造成。沿晶斷裂是由于晶界弱化，因此力學(xué)性能下降，裂紋沿晶界處擴(kuò)展。

綜上所述，可知裂紋源區(qū)位于圓弧過(guò)渡區(qū)域，為應(yīng)力集中區(qū)域。氣瓶瓶閥在裝配后內(nèi)部存在較大的應(yīng)力，同時(shí)，瓶?jī)?nèi)充滿(mǎn)介質(zhì)后壓力較高(6～7 MPa)，造成了應(yīng)力疊加。又因?yàn)槠績(jī)?nèi)CO2介質(zhì)溫度較低(-20 ℃)，在低溫環(huán)境下材料的力學(xué)性能下降。因此，氣瓶瓶閥起裂于應(yīng)力集中部位，且由于瓶?jī)?nèi)存在低溫環(huán)境，裂紋從應(yīng)力集中部位由內(nèi)向外擴(kuò)展，最終發(fā)生脆性斷裂。

3 結(jié)論及建議

組織中局部有鉛成球粒狀沿晶界分布，造成晶界弱化；且瓶?jī)?nèi)存在低溫介質(zhì)，在低溫環(huán)境下瓶閥的力學(xué)性能下降。內(nèi)表面大、小孔過(guò)渡區(qū)為應(yīng)力集中部位，裂紋在應(yīng)力集中部位由內(nèi)向外擴(kuò)展，最終導(dǎo)致該氣瓶瓶閥發(fā)生脆性斷裂。

建議原材料在熱處理時(shí)控制好加熱溫度、保溫時(shí)間，合理選擇工藝參數(shù)；提高氣瓶瓶閥的加工精度，大、小孔過(guò)渡位置處的圓弧應(yīng)足夠大。