摘要：对燃气输配系统中的开裂铜球阀(材质为HPb59-1铅黄铜)进行鉴定，依据铜球阀的金相组织、裂口尖端表面能谱、化学成分等，分析开裂的原因。结合实际应用，提出此类铜球阀的安装环境要求。

关键字：铜球阀；  金相组织；  能谱分析；  应力腐蚀开裂

Discussion on Application Environment of Cracked Copper Ball Valve in Gas Transmission and Distribution System

Abstract:The cracked copper ball valve(material：HPb59-1 ledrite )is identified．The cracking reason is analyzed according to the metallographic structure of copper ball valve，energy spectrum of the top crack surface，chemical composition and so on．The installation environment requirement of this type of copper ball valve is put forward with practical application．

Key words: copper ball valve；metallographic structure；energy spectrum analysis；stress corrosion cracking

近年来，在西安秦华天然气有限公司天然气输配系统中螺纹铜球阀与燃气管道螺纹连接处开裂事件屡有发生，据统计2011年中压阀门井内的放散铜球阀(DN 25 mm)及调压箱进口管道处设置的放散铜球阀(DN 25 mm)发生螺纹连接处开裂事件43起，严重影响了天然气输配系统的安全可靠性。为了查明铜球阀与燃气管道螺纹连接处开裂的原因，我们将开裂的铜球阀样件送交专业管材研究部门进行分析鉴定，并对燃气系统中铜球阀的应用环境进行全面的调研分析。

1 开裂铜球阀样件分析鉴定情况

两件开裂的铜球阀均为公称通径25 mm、公称压力l．6 MPa的手动铜球阀，阀体材料为铅黄铜，材料牌号为HPb59-1，材料标准为GB／T 4423-2007《铜及铜合金拉制棒》。

Ⅰ号铜球阀开裂形貌见图l，阀体沿轴向方向开裂，裂口长度约l4 mm。

Ⅱ号铜球阀开裂形貌见图2，裂口详细位置及长度从外观观察并不明显。该铜球阀在管道上运行时被查出图2所示“裂口大致位置”处泄漏天然气，后送研究部门沿该处进行线切割后发现阀体也沿轴向方向开裂。

1.2 对送检铜球阀的检测分析

①金相组织分析

对I号、Ⅱ号铜球阀的金相组织^[1]及裂纹进行分析，结果如下：

I号铜球阀的金相组织由α相、β相和铅颗粒组成，α相、β相为块状，铅基本以细小颗粒均匀分布。裂纹起源于外表面，主裂纹两侧有二次裂纹，裂纹内有灰色物质；裂纹沿晶分布；裂纹两侧组织与非裂纹区组织相同，均为“α相+β相+铅颗粒”，见图3、4。

Ⅱ号铜球阀的金相组织也由α相、β相和铅颗粒组成，α相、β相为块状，铅基本以细小颗粒均匀分布。裂纹起源于外表面，裂纹附近外表面有一层灰色物质呈波浪状或直线状，该灰色物质与靠主裂纹根部裂纹内灰色物质相同；主裂纹两侧有二次裂纹，裂纹内有灰色物质；裂纹沿晶分布；裂纹两侧组织与非裂纹区组织相同，均为“α相+β相+铅颗粒”，见图5、6。

②能谱分析

对I号铜球阀裂口尖端处的灰色物质试样进行扫描电子显微镜观察，结果表明：裂纹表面可见明显灰色覆盖物。能谱分析结果表明主要成分为Cu、Zn、S、O和少量Cl等，Ⅰ号铜球阀裂纹尖端点1处

的电子显微镜观察结果和表面能谱分析结果见图7、8。

对Ⅱ号铜球阀裂口尖端处的灰色物质试样进行扫描电子显微镜观察，结果表明：裂纹表面可见明显灰色覆盖物。能谱分析结果表明主要成分为Cu、Zn、S、O和少量Cr、Mn等，Ⅱ号铜球阀裂纹尖端点l处的电子显微镜观察结果和表面能谱分析结果见图9、10。

③化学成分分析

分别对Ⅰ号、Ⅱ号铜球阀阀体的化学成分进行检测分析，分析结果见表1。

1.3 对检测结果的分析

①理化性能

由表l可见，Ⅰ号、Ⅱ号铜球阀阀体的Cu、Fe和Ni含量符合GB／T 5231-2001《加工铜及铜合金化学成分和产品形状》的规定，但Pb含量明显超过GB／T 5231-2001规定的上限值。

②开裂原因分析

金相检测结果表明，Ⅰ号和Ⅱ号铜球阀阀体金相组织为α相、β相、铅颗粒，α相、β相为块状，铅基本以细小颗粒均匀分布，两件铜球阀阀体金相组织没有异常。

Ⅰ号和Ⅱ号铜球阀开裂断面金相和扫描电镜检测结果均表明，断面开裂形式为从阀体外表起裂的沿晶开裂特征，能谱分析结果表明断面灰色物质中含一定量的有害元素S，由此可判断Ⅰ号和Ⅱ号铜球阀阀体开裂形式为硫化物应力腐蚀开裂。

2 关于铜球阀使用环境的讨论

应力腐蚀开裂是指金属因受应力与腐蚀的联合影响而开裂的现象，是一种有条件的特定应力腐蚀形式，如无应力存在，即使处在腐蚀环境中，也不会发生开裂现象，而当有应力存在，尤其是拉应力存在时，则易引起应力腐蚀开裂。

产生应力腐蚀开裂的必要条件是同时存在拉应力和腐蚀性环境，当与铜球阀连接的管道输送较高压力介质，装配人员野蛮施工导致装配扭矩较大时，铜球阀螺纹连接处会产生一定的环向拉应力作用，若外部服役环境中存在腐蚀介质(特别是含S腐蚀介质)，铜球阀螺纹连接处便会沿环向发生应力腐蚀开裂^[2]。

HPb59-1铅黄铜的特点是可切削性好，有良好的力学性能，但有腐蚀开裂倾向。以上铜球阀由HPb59-1铜合金棒铸造加工而成，由于以上棒材内部易存在残余应力，加之该类铜球阀与压力管道连接时存在安装应力，且铜球阀安装在潮湿的井室或户外，受空气中、雨水中的二氧化硫、硫酸盐等有害杂质的综合作用，导致铜合金晶问腐蚀开裂。

Ⅰ号铜球阀安装在用户调压箱进口处的放散管道上，管道的压力为0．2 MPa，所处环境为户外，无遮挡，风吹雨淋，使用时间为2年。

Ⅱ号铜球阀安装在用户庭院阀门井内的放散管上，管道的压力为0．2 MPa，所处环境为井室内，潮湿，逢雨季井内积水，使用时间为1年。

可见，以上开裂铜球阀均安装在中压管道(压力为0．2 MPa)上，安装环境有含S腐蚀性物质，从而导致铜球阀与燃气管道螺纹连接处腐蚀开裂。

经以上分析，我们认为在燃气输配系统使用铜球阀时，应对其装配位置及安装环境进行评估，避免安装在同时存在拉应力和腐蚀性的环境中，以免引起铜合金应力腐蚀开裂^[3]。

3 结论

我们认为不宜将该类铜球阀安装在中压输配管道上，更不宜安装在室外或阀门井等含S腐蚀性物质较多的环境中，还应注意安装时文明施工，不要用力过猛。应根据管材、管件的特征，规范安装在低压输配系统和含s腐蚀性物质较少的环境中。

参考文献：

[1] 高强．最新有色金属金相图谱大全[M]．北京：中国冶金工业出版社，2005：856-866．

[2] 张鸣，伍超群，李扬．铅黄铜阀体开裂的原因分析[J]．材料研究与应用，2009(3)：52-55．

[3] 车立新，段常贵．埋地钢质管道应力腐蚀开裂及其预防[J]．煤气与热力，2006，26(10)：l-4．

本文作者：  陆青   魏晓玮