具体内容 高压止回阀断裂失效分析 2012年 中国多地 信息 事故名称 事故时间 事故地点 产品制造不明 商信息（包 括名称、地址等） 失效设备 失效部件 应用环境 失效形式 失效机理 氢氮压缩机 高压止回阀上流腔体 含氢量大于50%的变换气系统 低应力高周疲劳断裂 晶粒粗大导致冲击功值下降，脆性大 失效材料阀体材料35号钢 类型 失效材料信息（包括成分、力学设备名称 高压止回阀上工作温度 工作压力 工艺介质 材质 170℃ 流腔体 32MPa 氢气/氮气 35号钢 性能等） 事故概览 近年来，随着国民经济发展，阀门行业发展迅速，阀门失效影响着系统的正常运行，一旦阀门失效便失去了对系统和反应的控制，后果不堪设想。且作为动设备，阀门收到的载荷随时间变化，易引起疲劳损伤和疲劳失效。 分析方法/测试项目 首先进行断口宏观特征分析，判断材料特性和裂纹发展过程；其次分析化学成分，检验材料力学性能，检查材料是否符合标准要求；进行金相和微观特征分析，判断热处理方式记金属性能。 分析结果 1断口宏观特性 1
图1阀体的宏观断口形貌 图2阀体裂纹扩展示意 1.1 阀体的宏观断口可以分为平齐光整区和粗糙区两个部分，平整区为裂纹的疲劳扩展区，表面基本光滑，疲劳扩展速率较低，表现低应力高周疲劳扩展特征；但是到了裂纹扩展区后期，断口表面逐渐粗糙并开始出现放射状台阶，裂纹扩展速度逐渐加快，出现韧性撕裂台阶，其主要原因是由于断裂部位有效承载面积逐渐缩小、应力逐渐加大所致。粗糙区为最终瞬断区，断口呈结晶状，表明材料呈脆性特征，该区面积不足整个断口的10%，表明止回阀工作应力远低于其抗拉强度，止回阀强度设计余量充裕，断口属于宏观脆性断口。 1.2 疲劳裂纹在阀体外表面台阶处形成并扩展至接近阀体内表面时，裂纹扩展方向从原先垂直于阀体轴线方向转为沿着与轴线45°方向扩展。其原因可能是随着阀体有效壁厚的减薄，材料显示出一定的塑性，发生剪切断裂。 2
1.3 疲劳断裂的萌生之处位于阀体台阶处，存在应力集中，而应力集中是诱发疲劳裂纹形成的重要因素之一。同时，由于裂纹均沿着台阶处发展，可以确认疲劳裂纹源生成于止回阀体台阶的外表面。 2 阀体材料化学成分分析 在裂纹源区附近取样并进行化学成分分析，分析结果（见表1）表明： （1） 阀体材料成分符合GB/T 699-2008《优质碳素结构钢》种规定的35号钢的成分要求，可以确定该阀体材料为35号钢； （2） 阀体断口表面腐蚀产物主要是氟元素和少量铁、钙、钠等金属元素，氟元素系阀体断裂后由灭火剂带入。 表1阀体材料成分分析结果 元素 成分 标准成分 元素 成分 标准成分 C 0.35 0.32~0.39 S 0.008 ≤0.035 Si 0.31 0.17~0.37 Cr 0.05 ≤0.25 Mn 0.61 0.50~0.80 Mo 0.01 ≤0.3 P 0.01 ≤0.035 Al 0.03 ≤0.25 3 力学性能试验 阀体材料力学性能测试结果表明： （1） 阀体材料的抗拉强度和塑性基本符合要求，但是均接近标准下限要求，其中屈服强度还略低于标准要求； （2） 阀体内层和外层材料性能差别不大，内层强度略高于外层，可能是加工处理造成的； （3） 阀体材料的冲击吸收功值远低于标准要求，显然，该阀体材料晶粒粗大是导致其冲击吸收功值下降的重要原因，也是导致阀体发生早期疲劳断裂的根本原因。 3
失效案例分析
