高压截止阀阀头的失效原因分析

高压截止阀阀头的失效原因分析

1.试样制备和试验方法

从失效阀头基材车削屑样，制备化学分析试样，分析基材的成分是否合格。采用线切割从失效阀头基材和密封面部位截取金相试样，进行微观组织分析、光谱分析和硬度检测。从阀头基材割取3个拉伸试样和3个冲击试样，进行拉伸性能试验和冲击性能试验。

采用化学分析方法对阀头基体材料进行成分分析，XJZ-1A型金相显微镜对微观组织进行分析，NITON XLY898型直读光谱仪对渗层成分进行分析，HB-3000型布氏硬度计和HR-150型洛氏硬度计对阀头基材和渗层的硬度进行检测，WE-60型万能试验机进行拉伸性能测试，JB-30B型冲击试验机进行冲击性能测试。

2.试验结果与分析

（1）宏观观察

从图1可见，在阀头密封面，横向和纵向都有较深的沟槽，延伸到基体。说明在阀门开启状态下，阀头密封面受到介质中硬颗粒的强力冲刷。

（2）阀头基材的化学成分分析

从失效阀头基材位置取样进行化学成分分析，结果见表1。从分析结果来看，各个元素含量均在标准范围内，阀头基材的化学成分符合标准GB/T3077—1999对20CrMnTi钢的成分要求。

（3）阀头基材的力学性能分析

阀头基材的拉伸和冲击试验数据见表2。可以看出，阀头基材的抗拉强度和塑性指标皆符合国家标准规定的20CrMnTi钢淬火+回火后的性能指标。

（4）阀头基材的硬度检测

对阀头基材进行硬度检测，硬度值为197HBW、193HBW、204HBW、213HBW、200HBW、193HBW，说明基材属于韧性材料。

（5）阀头密封面渗层的硬度检测 

对阀头密封面渗层进行硬度检测，硬度值为43.8HRC、44.1HRC、37HRC、39.5HRC、41.5HRC、39HRC、37HRC，平均硬度为40.3HRC。可见作为易受冲刷的部位，密封面渗层的硬度不高。

（6）阀头基材及渗层的金相分析

使用4%的硝酸酒精溶液对金相抛光态试样进行化学侵蚀，并对渗层及基材部位进行观察。由金相组织可见由表及里的组织分布形貌，近表层组织为针状马氏体、残留奥氏体及WC，心部主要为低碳马氏体、贝氏体及少量铁素体，渗碳表层未见WC金相组织。亦未有明显的渗层组织及深度（见图2、图3）。

（7）阀头密封面渗层的光谱分析

为了进一步确定材料是否进行了渗WC处理，采用直读光谱仪对渗层进行金属元素分析，发现材料中含W量极低，检测值为0.05%。

3.分析与讨论

阀头密封面存在多处较深的沟槽。阀头基体的化学成分、力学性能和硬度符合标准要求。可见密封面渗层不耐冲刷与渗层组织和硬度有关。

由金相检测结果可见，基体心部组织主要为低碳马氏体、贝氏体及少量铁素体等韧性组织，心部组织正常，渗层组织未见WC组织。WC组织含量太少，必然降低渗层的耐磨性能。渗层组织检测中未发现金属元素W，说明渗WC工艺不成功。

渗WC工艺属于高温热扩渗工艺。被渗元素（C、W）在基体金属中要有一定的渗入速度。提高渗入速度的最重要手段之一就是将工件加热到足够高的温度，使溶质元素能够有足够大的扩散系数和扩散速度。如果降低渗WC工艺的加热温度，或缩短保温时间，必然造成渗层中的WC含量不足或渗层太浅，降低密封面渗层的耐磨性能。

4.结语

该阀头密封面的损坏属于渗层硬度不足造成的冲刷腐蚀。渗层中WC含量太低，降低了密封面的耐磨性能。建议严格执行确定的渗WC工艺，保证充分的加热温度和保温时间，保证要求的WC含量和渗层深度。通过“表面具有WC的高硬度，高耐磨，心部保留20CrMnTi基体调质状态的硬度、强度和韧性”的合理结构，来保证阀头密封面的耐磨性能。