分水器破裂原因分析

李梅　尚灿　邓钦球　周升升

摘 要：采用外观观察、尺寸测量、金相检验、静液压强度、有限元受力状态分析、低温结冰试验、微观形貌观察以及能谱分析等方法对分水器破裂进行了分析。结果表明，分水器丝堵破裂和尺寸结构不符合相关标准要求有关，当遇到寒冷天气时，分水器内部水结冰，体积膨胀，承载能力大幅降低，从而导致分水器破裂。

关键词：丝堵；结冰；破裂

中图分类号：TG146.1 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）10-0082-03

铅黄铜因具有优良切削性能、耐磨性能且成本低廉而广泛应用于各类丝堵中。丝堵在使用过程中，会受到内应力和工作应力的共同作用，一旦开裂失效会造成漏水事故的发生，产生严重后果。秦文玲等人[1]发现丝堵裂纹与加工过程质量控制不当有关。鲜宁等人[2]研究发现，丝堵断裂与硫化物应力腐蚀有关，其主要原因是材料硬度和密封结构不合理。某型号地暖分水器在使用过程中发生丝堵开裂，造成漏水事故。为了探明该分水器丝堵开裂的原因，本文对其进行失效分析。

1 试验材料与方法

试验样品为分水器（含开裂丝堵）和未开裂丝堵，分别为1#和2#，如图1所示。采用LEICA S8APO体视显微镜对开裂丝堵进行宏观检查，对2#进行尺寸测量。OLYMPUS BX51M光学显微镜对开裂丝堵进行金相组织。对未开裂丝堵进行静液压强试验和低温结冰试验。对开裂丝堵和标准丝堵结构进行有限元分析。开裂丝堵和为开裂丝堵形貌观察和能谱分析在HITACHI S-4800扫描电子显微镜上进行。

2 試验结果

2.1 外观检查与尺寸测量

对1#样品丝堵进行检查，发现丝堵在平面上存在Ⅰ、Ⅱ两处连续开裂，裂纹分别沿丝堵内圈和沿丝堵六角根部延伸，如图2所示。

对2#样品尺寸进行测量并画出结构示意图，如图3所示，测量结果如表1所示。丝堵尺寸S、L2均小于CJ/T 251-2007《铜分集水器》的要求，六角结构与该标准要求八角结构不符。

2.2 金相检测

对1#丝堵进行金相检验，结果如图4所示，发现丝堵组织为α+β相组织，组织均匀，游离铅相细小且分布均匀，未发现丝堵存在气孔、夹杂等铸造缺陷。

2.3 静液压强度试验

将2#样品安装至1#样品分水器主体并进行静液压强度试验，对分水器施加2.4MPa压力，保压2min，结果未发现丝堵存在有影响正常使用的残余变形。

2.4 有限元受力状态分析

为了验证压力对平面丝堵尺寸结构和标准平面丝堵结构的影响，对断裂平面丝堵和标准平面丝堵进行有限元受力状态分析，在施加2.4MPa压力的条件下，涉案平面丝堵在六角根部和丝堵内圈根部存在较大应力，应力值可达309.05MPa，高于标准平面丝堵八角中心位置最大应力值40.186Mpa，如图5所示。

2.5 低温结冰试验

将2#样品安装至1#样品分水器主体，对分水器内部注水并对其进行密封并放入温度零摄氏度以下的环境中结冰处理，结果发现2#样品在平面处发生变形及连续开裂，裂纹分别沿丝堵内圈和沿丝堵六角根部延伸，如图6所示。

2.6 扫描电镜与能谱分析

对1#样品丝堵断口和经低温冷冻处理后的2#样品断口微观形貌进行检查，发现断口表面均含有大量韧窝，如图7所示。对1#样品丝堵基体及表面、2#样品基体及表面进行能谱分析，如图8所示，结果发现1#样品丝堵基体与2#样品基体主要元素均为铜（Cu）、锌（Zn）、铅（Pb）等元素；1#样品丝堵表面与2#样品表面主要元素均为镍（Ni）。

3 分析与讨论

由外观检查与尺寸测量可知，丝堵在平面上存在Ⅰ、Ⅱ两处连续开裂，裂纹分别沿丝堵内圈和沿丝堵六角根部延伸。丝堵尺寸S、L2均小于CJ/T 251-2007《铜分集水器》的要求，六角结构与该标准要求八角结构不符。由金相显微组织检查可知，断裂丝堵组织均匀，游离铅相细小且分布均匀，未发现丝堵存在气孔、夹杂等铸造缺陷。

由静液压强度试验可知，未开裂丝堵2#可耐受2.4MPa压力，保压2min的试验条件，无影响正常使用的残余变形，无开裂。经有限元受力状态分析可知，平面丝堵在六角根部和丝堵内圈根部为应力集中处，平面丝堵较标准平面丝堵出现开裂的可能性高。通过低温结冰试验可知，分水器内部充满水在低温环境下结冰时，丝堵在平面处发生变形及连续开裂，裂纹分别沿丝堵内圈和丝堵六角根部延伸。

由扫描电镜与能谱分析可知，1#样品丝堵基体与2#样品基体主要元素均为铜（Cu）、锌（Zn）、铅（Pb）等元素；1#样品丝堵表面与2#样品表面主要元素均为镍（Ni），因此结构及表面成份与丝堵断裂没有关系。

通过上述分析，分水器丝堵尺寸结构不符合相关标准要求，导致其承载能力大幅降低，当遇到寒冷天气时，分水器内部水结冰，体积膨胀，从而导致分水器破裂。

4 结语

分水器丝堵破裂和尺寸结构不符合相关标准要求有关，当遇到寒冷天气时，分水器内部水结冰，体积膨胀，承载能力大幅降低，从而导致分水器破裂。

参考文献

[1]秦文玲.高压空冷器Incloy825丝堵产生裂纹分析[J].机电技术，2012，（06）：59-60.

[2]鲜宁，王秦晋，吴知谦，等.酸性气田增压系统空冷机管束箱丝堵断裂失效原因[J].天然气与石油，2009，（4）：16-18.