2014/12/8 0:00:00
1 拆解分析及施工项目背景调查
公司技术部门、施工管理部门会同施工方、设备厂家一起对调压器进行了拆解，经过对两台调压器进行拆解，发现均为调压器的阀杆断裂，阀杆断裂部位均在阀杆端部连接阀瓣的槽口处(见图1)。
检查阀瓣时，发现阀瓣的硫化橡胶阀垫上有明显的压痕损伤，可以判断阀瓣与阀座发生较大冲击而造成。
通过该施工项目建设情况的梳理，我们了解到：该项目的调压箱及中压支管、部分低压管网已于两年前安装完成，中压支管与供气干管及调压箱同期完成连接，天然气已送至调压箱阀前。本次是将剩余部分管网全部施工完成后，对调压箱后的低压管网重新进行了强度和气密性试验，强度试验压力为0.15MPa，完成强度试验后，直接开启调压箱出口阀门，将出口端的安全放散管作为泄压排放口，并且当时调压器前阀门处于关闭状态，调压器后阀门处于开启状态，调压箱前端的中压支管已通入天然气。
所有调压器按要求出口端压力应小于入口端压力，通过阀瓣软密封阀垫上的压痕可以推断，调压器出口端压力过高可能是本次阀杆断裂事件的主要原因，但0.15MPa的气体压力能否足以造成调压器阀杆的拉断，调压器阀杆是否本身存在材质缺陷，这需要进一步分析验证。
2 调压器的结构犁式及阀杆材质
该款调压器为某进口品牌，在我公司大量使用，其质量和性能较为稳定，一直没有出现过问题。该款调压器为大膜盘直接作用式调压器，其连接口径DN80，膜盘头部直径为书600，其结构型式平衡阀芯式调压器，阀瓣位于阀座下部，是典型的失效开启型调压器，在主皮膜破裂或压力信号管无压力反馈时，阀口处于开启状态。大膜盘调压器的特点是结构简单、响应迅速、关闭精度高，由于大膜盘的作用，其关闭精度很高，当下游压力高于设定值时，阀口关闭密封性好，无流量泄漏。其结构见图2。
该款调压器的阀杆材质为Xl2CrSl3，为欧洲EN标准的不锈钢牌号，在德国DIN标准和意大利标准中均为Xl2CrSl3同一牌号，等同美国AISI标准中的416牌号不锈钢，对应我国国内标准不锈钢牌号是1Crl3。其为马氏体型易切削不锈钢，是不锈钢中易切性能最好的钢种，特别适用于自动车床、数控车床批量生产，其成本低，性价比高，是调压器、调节阀及闸阀阀杆的首选，在调压器阀杆、阀座和阀瓣上有较多的应用。
X12CrSl3不锈钢通过热处理可以调整其力学性能，粹火后硬度较高，不同回火温度具有不同强韧性组合，与304和316不锈钢相比，强度和切削加工性比304和316好，摩擦系数小，但耐腐蚀能力不如304和316不锈钢。
经查相关同牌号不锈钢的资料，国内对其材料化学成分要求见表1。
在资料中同牌号不锈钢相应常规的力学性能如下：
抗拉强度sb(MPa)：淬火回火，≥735
条件屈服强度s0.2(MPa)：淬火回火，≥540
伸长率d5(％)：淬火回火，≥12
断面收缩率y(％)：淬火回火，≥40
冲击功Akv(J)：淬火回火，≥24
硬度：退火，≤235HB；淬火回火，≥217HB
3 阀杆受力计算及分析
调压器阀杆在断裂部位为中空的管式结构(见图3)，调压器相关尺寸：皮膜片的直径为500mm，则皮膜片的面积为S膜=196250mm2；断裂处阀杆的外直径为10mm，阀杆的内孔直径为5mm，则阀杆断裂处的环形面积为58.875mm2。
当膜盘下部承受的气体压力0.15MPa，膜盘受到向上的推力为29437.5N，该力作用在阀杆断裂处产生的拉应力通过计算为500MPa，该值接近于条件屈服强度540MPa，但远小于抗拉强度735MPa。
也就是说在0.15MPa的气体压力条件下，调压器阀杆可能会发生塑性变形，但不会断裂。对调压器阀杆材质是否存在缺陷还需要通过相应的检测数据来分析。
4 相关专业机构的检测结果及比对
公司将断裂的阀杆委托给专门从事断裂研究的专业实验室对断裂面进行了检测分析，同时要求设备厂家也同时对另一根断裂的阀杆进行检测分析。
我公司委托的专业断裂实验室通过对调压器的阀杆进行断口宏观／微观、阀柱材料成分进行检测分析判断，主要检测分析结果为：
(1)断口部位微区能谱分析表明，阀杆试样的化学成分与设备厂家提供的标准要求相符，并额外检测出了Cl、Al、K、Na、Mg等元素，见表2。
(2)阀柱材料基体组织在扫描电镜下观察，发现其横截面上存在着较多mm级的孔洞，无韧窝产生，分析为晶间开裂，判断为脆性开裂。
国外设备制造厂家对调压器断裂阀杆其它部位进行了元素分析和力学测试，结果见表3。
抗拉强度为795MPa，条件屈服强度s0.2为704MPa。
设备厂家委托国内材料研究所对一根新阀杆进行了元素分析和力学测试，结果见表4。
抗拉力为54.3kN(端部螺纹拉脱，未拉断)，折合抗拉强度要大于922MPa。
我们将3个机构的元素分析结果进行了比对，结果非常相符相近，且符合标准要求。对应于国外对该材质在650℃温度下回火处理后的抗拉强度范围700MPa～1000MPa，条件屈服强度s0.2大于等于500MPa的要求，力学测试结果也为合格。
为慎重起见，我们又要求我公司委托的专业断裂实验室对非断口区域增补微区能谱分析，发现材料本体的非断口区域无Al、Cl、K、Na、Mg等元素。
5 断裂失效原因分析
通过查阅其它资料，我们了解到：马氏体不锈钢与调制钢一样，可以使用淬火、回火及退火处理，其力学性质与调制钢也相似，当硬度升高时，抗拉强度及屈服强度升高，而伸长率、截面收缩率及冲击功则随着降低，马氏体不锈钢当硬度增加时，则韧性减少。马氏体不锈钢的耐蚀性主要取决于铬含量，而钢中的碳由于与铬形成稳定的碳化铬，又间接的影响了钢的耐蚀性，lCrl3马氏体不锈钢因含碳较高，故具有较高的强度、硬度和耐磨性，但耐蚀性稍差，其通过添加其它元素可以改善性能，例如加入S或Se改善切削加工性能，加入Mo及V可以增加其耐磨性及耐蚀性，加入约Mo、W和V可以提高其热强性。铜的加入，对不锈钢有强韧化作用，且随铜含量的增加，不锈钢的抗菌性能提高。
综合我公司进行的相关力学计算及一系列专业检测分析，可以看出：调压器阀杆材质的元素成分和力学性能是与标准要求相符的，从阀杆的元素分析来看，其元素成分表明其为典型的1Crl3马氏体不锈钢，而且在其元素成分中加入了Mo及V而增加耐磨性及耐蚀性，并加入了Cu以提高其塑性、韧性和抗菌性能，但1Crl3马氏体不锈钢不耐氯离子的点腐蚀和缝隙腐蚀。
在断口部位微区能谱分析检测