某单位对一
球阀进行了壳体强度试验，当压力加到接近14.5MPa（设计压力为15.0MPa）时，一端的阀体突然发生了断裂。事故发生后，工作人员立即对该阀的强度、断口形貌、材料的化学成分及力学性能、生产制造工艺和压力试验过程进行了分析。
一、检测分析
球阀阀体为组焊式（图1），阀体部分材料为A105、法兰材料为20M
nM
o。断裂位置位于阀体与法兰连接端圆角处，呈周向断裂（图2）。
1、强度校核
根据高压钢制
调节阀阀体壁厚计算公式
（1）、（2）
经计算阀体最小壁厚应为51.25mm，按ASMEB16.34要求，阀体最小壁厚为49.78mm，阀体设计最小壁厚和实际最小壁厚为62mm，满足强度要求。
2、断口分析
观察阀体断裂处，其断口较平坦，呈明显晶状，亮灰色，有强烈的金属光泽。断面洁净，无氧化现象及其他冶金和锻轧缺陷。局部可见放射状“人字纹”，并汇聚指向裂纹源。用扫描电镜进行断口形貌分析，观测SEM形貌，其断口特征为粗大解理扇+沿晶裂纹，属典型脆性断口。由此可见，断口的宏观特征（结晶状及人字纹花样）和微观SEM特征（解理+沿晶）均为典型脆断机理。
在断口部位和本体抗拉试棒上分别取样进行金相组织分析得出，断口部位与本体组织一致，即断裂部位和裂纹源不在焊缝及其热影响区。断口部位和抗拉试棒的金相组织均为铁素体+珠光体，晶粒粗大，晶粒度为3～4级，魏氏组织2级，带状组织3级，未见异样非金属夹杂物，属退火组织。
3、化学成分和力学性能
经取样测得阀体A105端化学成分如表1，纵向力学性能如表2。测试结果表明，该构件的强度指标σ
b、σ
s符合要求，韧性指标稍低。
4、制造工艺及压力试验
阀体由A105和20M
nM
o两种锻件基材采用埋弧自动焊组焊而成，焊后经400～500℃去应力处理，并按图加工，几何尺寸检查符合图纸要求，外观未见明显加工缺陷。壳体强度试验以水为介质，用往复泵连续加压，按设计要求应加压到15.0MPa，实际加压到约14.5MPa即发生断裂。
二、分析检测结果
综合检测结果，该阀体设计强度和原材料的化学成分均符合要求。无冶金和锻轧缺陷，未见异样非金属夹杂物，说明冶金缺陷和非金属夹杂物对材料性能的影响可以忽略。断口部位与本体组织一致，断裂部位和裂纹源不在焊缝及其热影响区，而位于强度（与20M
nM
o比较）稍低的A105侧的圆角处，说明焊接不是造成阀体断裂的主要原因。
断裂力学的研究成果表明，低温、高速加载、尖缺口及材料大晶粒结构是导致金属零件解理破断的主要原因
。 加载速率是指载荷施加于机件时的速率，用单位时间内应力增加的数值表示
。加载速率较低时，断裂应力较高。加载速率较高时，断裂韧性降低，断裂应力较低，裂纹尖端最大主应力随加载速率的增大而升高。加载速率对钢脆性的影响和钢的强度水平有关，中低强钢的韧脆转变温度对加载速率比较敏感，而高强钢的韧脆转变温度对加载速率敏感性较小，加载速度是塑性金属材料转化为脆性材料的重要外因之一。A105属于中低强钢，在进行壳体强度试验时以水为介质，用往复泵连续加压，因水为不可压缩的液体，阀腔内注满水后，用往复泵连续加压，阀腔内压力升高很快，加载速率是很快的。快速加载是造成阀体解理断裂的主要原因之一。
晶粒度对脆性断裂影响很大，金属零件产生脆性断裂时，断裂应力与晶粒度的关系式为
式中 σ
C———脆性断裂应力，MPa
σ
o———材料内的摩擦力，MPa
k
c———系数
d———晶粒度
金相分析结果表明，阀体晶粒度为3～4级，晶粒粗大，晶粒粗大是该阀体在低应力状况下发生解理脆断的又一主要原因。
金属零件破断失效部位，往往发生在零件几何形状突然变化引起应力集中的部位，裂缝扩展方向总是按照最小阻力路线前进。从阀体结构看，断裂处内部有台阶，外部有圆角，在几何形状上有突变，正是应力集中的地方，因此，应力集中也是造成阀体脆性断裂的原因之一。
三、结论
综合测试和分析结果，造成球阀阀体在进行壳体强度试验时断裂的主要原因是晶粒粗大、加载速度过快和应力集中引起的。应采取有效的措施加以改进。
①对
阀门的压力试验采用逐级缓慢升压，避免升压速度过快。
②严格控制坯件的始锻温度和终锻温度，锻后必须按相关规范要求进行热处理，以细化晶粒，改善材料的性能。
③在保证阀体壁厚的同时，尽量加大阀体内外倒角处的圆角半径，减少应力集中。
参考资料
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