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摘要：对截止阀结构特性进行分析，在一起截止阀失效事故中分析产生事故的原因，与结构特性分析相对应从而在截止阀设计、制造以及安装的过程中有所警示。
关键词：截止阀；铸铁；失效
一、概述
近十年来随着石油炼化、煤化工等大型成套炼化装置的迅猛发展，阀门作为管道元件中十分重要且普遍的部件应用的场景十分广泛，而且呈现高压力、高温差、介质高污染等趋势，使用工况的复杂化给阀门制造的工艺提出了一个更高的要求。
二、结构特性
截止阀又称截门阀，是一种强制密封结构的阀门（通过阀杆导力使得阀瓣与阀座强制密封），其结构特点主要有以下三点：
1、阀瓣与阀座
阀瓣一般采用钢制阀瓣上堆焊耐磨金属或者采用锥形面密封。
2、阀杆与流道腔体
由于其启闭结构行程较短，密封面维修更换方便，被广泛的应用，同时由于截止阀结构长度较长，流体输送冲刷严重。
3、阀门的启闭
截止阀普遍关闭阻力较大，介质单项密封（不管安装形式是高进低处还是低进高出都属于介质单向密封，无非高进低处会使阀门关闭阻力较小，同时腔体压力会作用于阀瓣上对密封起到一个正作用，这种安装形式主要用于高压力和大口径工况中；低进高出阀门开启阻力较小，但是介质冲刷现象较严重，同时在阀门常闭状态下密封面容易发生内漏，所以不适宜高压以及第一组介质场合）等特性截止阀的失效模式也比较复杂与不可控。
三、事故案例
2010年6月13日，瑞安市华腾服装有限公司锅炉房内分汽缸上一只柱塞截止阀（型号：JU41MH-16 PN16 DN125，柱塞截止阀密封结构介于截止阀和柱塞阀之间，属于圆锥面密封。另外从型号可以看出该阀门为灰铸铁阀门）发生爆炸事故。受温州市质量技术监督局委托，我院型式试验中心对该阀门爆炸的原因作出技术分析。
1、阀体材料
（1）该事故阀门阀体材质为灰铸铁，JB/T5300-2008《工业用阀门材料选用导则》中规定可用于以下两种情况：a）用于公稱压力不大于PN16，温度为-10 ～100℃的油类、一般性液体介质；b）用于公称压力不大于PN10，温度为-10 ～200℃的蒸汽、一般性气体、煤气、氨气等介质。（作为制造单位，阀门的适用条件必须分别加以标注，不能笼统标注为PN16，DN125，使用温度≤200℃，这样就视为选材不当）；
（2）灰铸铁阀门产品标准GB/T12233-2006《通用阀门 铁制截止阀与升降式止回阀》，适用于公称压力PN10-PN16，公称尺寸DN15-DN200，适用温度≤200℃的铁制截止阀或升降式止回阀。该阀门随后提交的设计图纸标明为PN16，DN125，使用温度≤200℃，虽然表面上看在标准范围内，但该标准在材料选用中规定依据JB/T5300-2008《工业用阀门材料选用导则》，作为设计、安装单位1.25MPa的蒸汽管路系统就不应选用该标准产品，属于选型不当；
（3）TSG D0001-2009 《压力管道安全技术监察规程-工业管道》第二十五条规定：灰铸铁和可锻铸铁管道组成件可以在下列条件下使用，但必须采取防止过热、急冷急热、振动以及误操作等安全防护措施：（一）灰铸铁使用温度高于或等于-10℃，并且低于或者等于230℃，设计压力小于或者等于2.0MPa。该阀门安装时没有和连接管道一起进行保温，容易出现冷热不均的情况，如图所示该阀门并没有与管路和设备一起保温。
2、受力分析
由于4t/h锅炉未运行，该阀门处于关闭状态，可以判断阀体上部腔体内无蒸汽压力，下部腔体及阀瓣承受来自分汽缸的蒸汽压力。阀门爆破后断口位置均在上部腔体范围内。我们认为导致阀门最先开裂失效的动因并非蒸汽直接作用的内压，而是由诸多因素引起的结构性内力所致。这些结构性内力主要来自以下几方面：
（1）阀门关闭的预紧力。由于4t/h锅炉未运行，该阀门作为4t/h锅炉蒸汽管路进入分汽缸的进气阀门，在冷态时就已经关闭。而该阀门的安装位置又是竖立安装，在关闭操作上较水平安装更容易使力，不排除为使阀门关闭紧密，将阀门拧紧到过度关闭状态。此时阀杆受力压缩，其反作用力通过支架、阀盖传递至阀体肩部开裂处；
（2）蒸汽的推力。以分汽缸压力1MPa计，阀瓣直径200mm，此时蒸汽作用于阀瓣的推力约为3吨力，该作用力也由阀杆通过支架、阀盖传递至阀体肩部开裂处；
（3）温差应力。事故阀门上部安装的管路较长，4t/h锅炉运行后会有较多蒸汽残留，锅炉停运后，蒸汽冷凝成水后沿管壁流经阀门上部腔体内壁，受热后又汽化蒸发，进入上部管路，冷却后又向下流入阀门上部腔体，这一循环过程相当于对阀门上部腔壁起到冷却作用，致使阀体上部腔壁热膨胀受到抑制，伸长量较小。而此时阀体内的阀杆部分却可以直接接受来自蒸汽的热量，产生的热胀伸长量较大。由于阀门在冷态时已经关闭，阀杆与阀体的相对位置已经固定，此时较冷的阀门上部腔壁和较热的阀杆膨胀不能同步，在阀体颈部就会受到来自阀杆膨胀伸长而产生的拉力。有经验表明，这类由于温差引起的结构内力往往是十分巨大的。
（4）残余应力。阀门铸造后阀体肩部位置也可能存在一定水平的铸造残余应力。
结合阀体材料特性以及阀门受力情况分析，可以得出阀门是由于选材不当，同时在诸多结构性内力的作用下，且这些内力都直接指向阀体肩部开裂位置，而该阀门承载能力只达到标准规定的67%，即使在系统不超压的情况下，阀体肩部也可能会因强度不足而先导致开裂失效，也可能使原先存在的陈旧性裂纹迅速扩展而导致失效。最后在蒸汽推力作用下，使阀体在肩部以上部分全部飞脱，酿成爆炸事故。
四、总结
在所有通用阀门中截止阀的受力状况是最差的，在美国API标准体系中也缺少大口径截止阀的相关要求，在标准体系完善度极高的API中缺乏大口径截止阀的相关标准，我们应该需要考虑一些更深层次的原因。反观在国内，截止阀被大量的应用在各种场合，然而截止阀往往在设计、制造以及安装的过程中，我们缺乏对使用工况的预见性，工程经验的缺乏以及一些人为因素，导致截止阀失效事故频频发生，如何在复杂工况中选择安全可靠的结构形式是一门需要大量工程数据积累和经验分析的学问。
关键词：截止阀；铸铁；失效
一、概述
近十年来随着石油炼化、煤化工等大型成套炼化装置的迅猛发展，阀门作为管道元件中十分重要且普遍的部件应用的场景十分广泛，而且呈现高压力、高温差、介质高污染等趋势，使用工况的复杂化给阀门制造的工艺提出了一个更高的要求。
二、结构特性
截止阀又称截门阀，是一种强制密封结构的阀门（通过阀杆导力使得阀瓣与阀座强制密封），其结构特点主要有以下三点：
1、阀瓣与阀座
阀瓣一般采用钢制阀瓣上堆焊耐磨金属或者采用锥形面密封。
2、阀杆与流道腔体
由于其启闭结构行程较短，密封面维修更换方便，被广泛的应用，同时由于截止阀结构长度较长，流体输送冲刷严重。
3、阀门的启闭
截止阀普遍关闭阻力较大，介质单项密封（不管安装形式是高进低处还是低进高出都属于介质单向密封，无非高进低处会使阀门关闭阻力较小，同时腔体压力会作用于阀瓣上对密封起到一个正作用，这种安装形式主要用于高压力和大口径工况中；低进高出阀门开启阻力较小，但是介质冲刷现象较严重，同时在阀门常闭状态下密封面容易发生内漏，所以不适宜高压以及第一组介质场合）等特性截止阀的失效模式也比较复杂与不可控。
三、事故案例
2010年6月13日，瑞安市华腾服装有限公司锅炉房内分汽缸上一只柱塞截止阀（型号：JU41MH-16 PN16 DN125，柱塞截止阀密封结构介于截止阀和柱塞阀之间，属于圆锥面密封。另外从型号可以看出该阀门为灰铸铁阀门）发生爆炸事故。受温州市质量技术监督局委托，我院型式试验中心对该阀门爆炸的原因作出技术分析。
1、阀体材料
（1）该事故阀门阀体材质为灰铸铁，JB/T5300-2008《工业用阀门材料选用导则》中规定可用于以下两种情况：a）用于公稱压力不大于PN16，温度为-10 ～100℃的油类、一般性液体介质；b）用于公称压力不大于PN10，温度为-10 ～200℃的蒸汽、一般性气体、煤气、氨气等介质。（作为制造单位，阀门的适用条件必须分别加以标注，不能笼统标注为PN16，DN125，使用温度≤200℃，这样就视为选材不当）；
（2）灰铸铁阀门产品标准GB/T12233-2006《通用阀门 铁制截止阀与升降式止回阀》，适用于公称压力PN10-PN16，公称尺寸DN15-DN200，适用温度≤200℃的铁制截止阀或升降式止回阀。该阀门随后提交的设计图纸标明为PN16，DN125，使用温度≤200℃，虽然表面上看在标准范围内，但该标准在材料选用中规定依据JB/T5300-2008《工业用阀门材料选用导则》，作为设计、安装单位1.25MPa的蒸汽管路系统就不应选用该标准产品，属于选型不当；
（3）TSG D0001-2009 《压力管道安全技术监察规程-工业管道》第二十五条规定：灰铸铁和可锻铸铁管道组成件可以在下列条件下使用，但必须采取防止过热、急冷急热、振动以及误操作等安全防护措施：（一）灰铸铁使用温度高于或等于-10℃，并且低于或者等于230℃，设计压力小于或者等于2.0MPa。该阀门安装时没有和连接管道一起进行保温，容易出现冷热不均的情况，如图所示该阀门并没有与管路和设备一起保温。
2、受力分析
由于4t/h锅炉未运行，该阀门处于关闭状态，可以判断阀体上部腔体内无蒸汽压力，下部腔体及阀瓣承受来自分汽缸的蒸汽压力。阀门爆破后断口位置均在上部腔体范围内。我们认为导致阀门最先开裂失效的动因并非蒸汽直接作用的内压，而是由诸多因素引起的结构性内力所致。这些结构性内力主要来自以下几方面：
（1）阀门关闭的预紧力。由于4t/h锅炉未运行，该阀门作为4t/h锅炉蒸汽管路进入分汽缸的进气阀门，在冷态时就已经关闭。而该阀门的安装位置又是竖立安装，在关闭操作上较水平安装更容易使力，不排除为使阀门关闭紧密，将阀门拧紧到过度关闭状态。此时阀杆受力压缩，其反作用力通过支架、阀盖传递至阀体肩部开裂处；
（2）蒸汽的推力。以分汽缸压力1MPa计，阀瓣直径200mm，此时蒸汽作用于阀瓣的推力约为3吨力，该作用力也由阀杆通过支架、阀盖传递至阀体肩部开裂处；
（3）温差应力。事故阀门上部安装的管路较长，4t/h锅炉运行后会有较多蒸汽残留，锅炉停运后，蒸汽冷凝成水后沿管壁流经阀门上部腔体内壁，受热后又汽化蒸发，进入上部管路，冷却后又向下流入阀门上部腔体，这一循环过程相当于对阀门上部腔壁起到冷却作用，致使阀体上部腔壁热膨胀受到抑制，伸长量较小。而此时阀体内的阀杆部分却可以直接接受来自蒸汽的热量，产生的热胀伸长量较大。由于阀门在冷态时已经关闭，阀杆与阀体的相对位置已经固定，此时较冷的阀门上部腔壁和较热的阀杆膨胀不能同步，在阀体颈部就会受到来自阀杆膨胀伸长而产生的拉力。有经验表明，这类由于温差引起的结构内力往往是十分巨大的。
（4）残余应力。阀门铸造后阀体肩部位置也可能存在一定水平的铸造残余应力。
结合阀体材料特性以及阀门受力情况分析，可以得出阀门是由于选材不当，同时在诸多结构性内力的作用下，且这些内力都直接指向阀体肩部开裂位置，而该阀门承载能力只达到标准规定的67%，即使在系统不超压的情况下，阀体肩部也可能会因强度不足而先导致开裂失效，也可能使原先存在的陈旧性裂纹迅速扩展而导致失效。最后在蒸汽推力作用下，使阀体在肩部以上部分全部飞脱，酿成爆炸事故。
四、总结
在所有通用阀门中截止阀的受力状况是最差的，在美国API标准体系中也缺少大口径截止阀的相关要求，在标准体系完善度极高的API中缺乏大口径截止阀的相关标准，我们应该需要考虑一些更深层次的原因。反观在国内，截止阀被大量的应用在各种场合，然而截止阀往往在设计、制造以及安装的过程中，我们缺乏对使用工况的预见性，工程经验的缺乏以及一些人为因素，导致截止阀失效事故频频发生，如何在复杂工况中选择安全可靠的结构形式是一门需要大量工程数据积累和经验分析的学问。