低温真空绝热截止阀气缸盖裂纹问题分析

要磊磊 徐敏

1 问题概述

某低温真空绝热截止阀气缸盖靠近L 形弯处出现周向裂纹，裂纹长度在20cm左右，问题发生，气缸盖裂纹位置和形貌如图1 所示。

2 问题定位

2.1 产品结构组成

低温真空绝热截止阀主要包括阀体、阀瓣、阀芯、执行机构等几大部分，结构如图2 所示由图2 可知，气缸盖位于执行机构，与气缸筒和气缸支架一起构成气动执行机构，构成上阀杆、轴承套、轴承的装配基础，共同组成手动执行机构。

2.2 故障树分析

将气缸盖出现裂纹作为顶事件，建立故障树如图 4 所示。

2.2.1 气缸盖设计强度不足（X1）

如气缸盖强度不足，阀门气动关闭状态下，气缸盖承受 5MPa 内压，可能产生裂纹。

根据计算，气缸盖设计满足要求。

分别对低温截止阀打开、关闭过程中气缸盖的受力情况进行仿真分析可知，气缸盖强度满足要求，该底事件可以排除。

2.2.2 气缸盖材料缺陷

如气缸盖内存在气孔、夹杂，则在长期使用过程中，在长期应力作用下出现缺陷扩展现象，出现表面裂纹。

经复查，气缸盖出现裂纹进行剖切时，发现筒体和法兰母材状态完好，无可见内部缺陷。

失效分析表明气缸盖材质符合0Cr18Ni9 设计要求。

此底事件可排除。

2.2.3 应力腐蚀（X3）

目视可见气缸盖外表面筒体一侧焊缝热影响区约 3/4 周范围内存在多条纵向裂纹，长度约5～20mm 不等，局部区域裂纹存在明显的分叉、向周向扩展，裂纹区域未见明显的变形及异常机械损伤痕迹；法兰盘所有安装孔附近表面均可见明显的锈蚀痕迹。

采用机械方法将最长的裂纹打开对断口进行观察，从裂纹区域截取部分试样进行金相分析：裂纹沿晶扩展，主裂纹两侧可见较多沿晶分叉裂纹；浸蚀后观察，焊缝组织未见异常，未见明显的焊接缺陷，筒体及法兰盘母材组织均为伴有孪晶的奥氏体组织，可见较多沿晶界分布的网状碳化物。

气缸盖在使用一段时间后外表面发生锈蚀及开裂现象，裂纹均位于筒体一侧焊缝热影响区，大部分沿轴向扩展，部分区域裂纹存在分叉、向周向扩展，裂纹区域未见明显变形及异常机械损伤痕迹。打开的裂纹断口存在明显的腐蚀痕迹，源区位于表面，为多源起裂，源区及扩展区微观均呈沿晶形貌，可见沿晶二次裂纹，晶面附着较多基体的腐蚀产物，金相分析结果表明主裂纹两侧存在较多沿晶分叉裂纹，根据以上观察结果判断，气缸盖裂纹的开裂模式为延迟脆性开裂，机理为腐蚀及应力腐蚀。此底事件不可排除。

2.3 问题定位结论

综上所述，低温真空绝热截止阀气缸盖上法兰出现裂纹定位于：气缸盖发生腐蚀及应力腐蚀产生裂纹。

3 机理分析

3.1 应力腐蚀

应力腐蚀是金属材料在应力（通常为拉应力）与特定介质共同作用下引起的破裂。这种应力和环境联合作用可使金属机械性能下降，比单个因素分别作用后再叠加起来严重。

应力腐蚀是一个自发过程，只要把金属材料置于特定的腐蚀介质中，同时承受一定的應力，就可能产生应力腐蚀，是一种低应力下的脆性破坏。金属构件发生应力腐蚀的主要影响因素可以分为以下三种：1）应力因素；2）特定腐蚀环境因素；3）材料具有应力腐蚀敏感性，应力腐蚀是上述三个基本条件的交集。

3.2 应力腐蚀机理

3.2.1 应力因素

经复查，上法兰和气缸盖均采用拼焊结构，法兰厚度为 30mm，采用厚壁K 形焊接坡口，单边坡口深度14mm，需要焊接9 道成形，奥氏体不锈钢焊缝局部加热和冷却的条件下，焊接接头在冷却过程中形成较大的拉伸应力即残余应力。

焊接后未去除热应力，气缸盖具备产生应力腐蚀环境中的应力因素。

3.2.2 腐蚀环境因素

腐蚀的影响因素众多而复杂，主要取决于湿度、温度、降水量、盐雾、大气成分等气候条件的影响，以及大气中污染物质的影响。大气相对湿度越大，金属表面越容易结露，表面上的电解液膜存在的时间也越长，腐蚀速率相应增加。很多金属的临界湿度在50%～80%之间，钢铁约是75%。当大气湿度高于临界湿度后，金属表面便出现水膜或水珠，若是大气中含有的有害杂质溶解于水膜、水珠，即成电解液，加剧腐蚀。大气温度与湿度两者关联影响金属腐蚀。在其他条件相同时，平均气温高的地区，大气腐蚀速率较大。在相对湿度低时，温度对腐蚀的影响不太明显，但在高于临界湿度时，随着气温升高，腐蚀量急剧增大。另外，如果大气与金属间有温差，则在温度低的金属表面形成冷凝水、也会导致金属生锈。

文昌年平均气温24.1℃，月平均气温最高值28.3℃；文昌发射场累年平均相对湿度为86%；月平均相对湿度最大值为89%，温度为20℃±5℃时，湿度（95±3）%；属于典型的高温、高湿、高盐雾海洋大气环境，大量存在腐蚀性元素Cl 离子。

3.2.3 材料应力腐蚀敏感性

气缸盖采用筒体和法兰盘的拼焊结构，拼焊形式为厚壁K 形坡口，双面焊接，经复查工艺，焊接时电流较大，单面共9 道焊接，焊后未进行去应力热处理。由于06Cr19Ni10 在焊接加热、焊后自然冷却过程中，焊缝及其附近区域可能长期处于不锈钢的敏化温区（600℃），固溶状态的碳在晶界区域富集形成铬的碳化物，成为网状碳化物并沉淀析出，产生晶界区域的贫铬现象，导致晶界区域的耐蚀性下降，失效分析结果表明由于热处理工艺不当导致气缸盖在不锈钢敏化温区时间过长，焊缝及热影响区存在大量网状碳化物，满足材料应力腐蚀敏感性条件。

4 结论

气缸盖裂纹问题为腐蚀及应力腐蚀，可据此改进后续设计。

参考文献：

[1]活塞压缩机气缸盖爆裂失效分析[J]. 刘晓琴，柳超，曹林国. 压缩机技术. 2018（06）

[2]16V280气缸盖同轴度超差控制[J]. 卞新安. 中国制造业信息化. 2017（05）

[3]浅谈气缸盖机械加工工艺[J]. 邓玉明. 科技创新导报. 2018（11）