工业阀门为什么失效？
在工业系统中，阀门不仅是控制流体输送的核心元件，更是保障装置安全与稳定运行的关键环节。但即便采用高强度合金或先进涂层技术，阀门依然频繁面临失效问题。其背后原因复杂：长期服役下的电化学腐蚀逐渐削弱了阀门的抗蚀能力；高流速和含固颗粒介质引发的空化与冲蚀加剧了材料表面的损伤；而氢在金属中的聚集则可能导致延迟断裂或瞬时脆断。这些看不见的微观过程，最终使得阀门泄漏、卡阻甚至断裂。如何理解并解决这些失效机制，已经成为材料学与工程界的共同挑战。
本篇文章就为大家介绍了工业阀门的主要失效形式，以及分享一些具体失效案例。
表1. 阀门失效位置和特点[1]
一、腐蚀：电化学主导，受流动与成膜控制
阀门最普遍的失效形式就是腐蚀。腐蚀不仅降低了阀门的承压能力，还可能在密封面和运动副造成缺陷，导致阀门失去调节和密封功能。
主要腐蚀类型：
• 点蚀与缝隙腐蚀：局部溶解导致腐蚀坑，常在阀瓣密封面、螺纹连接处、垫片接触区发生。点蚀坑常作为裂纹萌生点。
• 晶间腐蚀：多见于不锈钢阀门，原因是焊接或热处理导致晶界贫铬化。晶间腐蚀会导致阀体强度严重下降。
• 均匀腐蚀：虽然破坏速率相对稳定，但会均匀减薄阀壁，降低耐压能力。
• 应力腐蚀开裂（SCC）：氯化物和硫化氢环境中最常见，裂纹沿晶界或穿晶扩展，表现为脆性断裂。
图1正是王培等[2]对青铜截止阀由于截止阀关闭不严漏水导致发生缝隙腐蚀而失效形式的形貌分析图。
图1. 某截止阀的阀瓣密封面发生缝隙腐蚀后形貌[2]
图2是Panda等研究了316L不锈钢波纹管由应力腐蚀开裂造成的失效形式特征图。
图2. Cl⁻诱导晶间裂纹扩展在不同阶段的特征：（a）外表面裂纹萌生区域（圆圈）；（b）分支裂纹放大图；（c）二次裂纹的裂纹扩展的晶间模式；（d）全壁厚裂纹[3]
伊朗油井的铸造碳钢流量控制阀体在H2S环境下服役3年后出现严重点蚀和裂纹，S.M.R.Ziaei等分析发现是湿H2S介质导致的硫化应力腐蚀 (SSC) 与氢诱导开裂 (HIC) 同时作用，最终引发结构失效。图3是失效的阀体内的腐蚀情况。
图3. 控制阀体内表面严重腐蚀，（a） 座环附近；（b） 阀法兰附近[4]
二、磨损：空化与冲蚀的耦合失效
阀门中流动状态较为复杂，高速流体和固体颗粒都会引起磨损。磨损不仅改变阀门内部的几何形貌，还可能破坏表面钝化膜，从而与腐蚀形成耦合加速效应。
在高速流动或含颗粒介质下，腐蚀和流动冲刷往往叠加，表现为“侵蚀-腐蚀”。
图4. 致使发生“侵蚀-腐蚀”的因素[5]
空化：阀门喉部或节流处压降过大 → 液体沸腾产生气泡 → 气泡在高压区塌陷，释放冲击波和高温微射流。
图5. 空化过程与空蚀机理图[6]
冲蚀：当流体中含有固体颗粒（如砂、氧化物），高速颗粒撞击阀芯阀座，产生犁沟或疲劳剥落。
图6. 磨损形貌图：（a）冲蚀磨损形貌；（b）冲蚀和空蚀协同磨损形貌[7]
更危险的是，两者可能耦合作用：空化产生的高频冲击削弱表面，再加上颗粒的切削作用，导致阀门损伤成倍加速。图6是Amarendra等研究泥浆冲蚀和空蚀损伤的单一与协同磨损的形貌图。
三、氢脆
在传统油气、炼化工况，以及未来氢能与CCUS工况下，阀门还要面对氢脆这一问题。
往期推文有对氢脆的讲解，本文就不过多赘述了。
四、断裂失效
特别的，当对材料、结构、工艺处理不当的时候，同样会引发阀门的断裂失效。相比腐蚀或磨损这类“渐进式”的损伤，断裂失效往往表现为突发性，缺乏明显预兆，因此对运行安全的威胁更大。下表是一些断裂失效原因的分析案例。
断裂诱因：
阀门的断裂并非单一因素所致，而是多种因素共同作用的结果：
• 结构应力集中：焊缝、螺纹连接、尖角或厚度突变处常常是裂纹萌生点。
• 残余应力：铸造、焊接和热处理过程中产生的残余拉应力，会大大降低阀门的断裂强度。
• 制造与装配缺陷：气孔、夹渣、偏心装配等缺陷在循环载荷下易演变为裂纹源。
• 材料选择不当：若在高氯、高硫或低温环境下仍使用普通碳钢阀门，就会加剧断裂风险。
表2. 断裂失效原因的分析案例[1]
总结
现实工况中，阀门失效往往由腐蚀、磨损、氢脆、断裂等机制共同作用：
• 磨损破坏钝化膜 →加速腐蚀。
• 腐蚀产生缺口 → 氢更容易渗入 → 触发氢脆。
• 氢降低金属韧性 → 在冲击与疲劳载荷下裂纹扩展更快 → 导致断裂。
如此往复，致使在实际工况中阀门的寿命与其在实验中的寿命大相径庭。
参考文献
[1]姚怀宇,蒋诚航,金志江,等.阀门失效的研究进展[J].流体机械,2021,49(10):74-83+90.
[2]王培,逄昆,张海峰,等.船舶海水管路青铜截止阀腐蚀失效分析[J].材料保护,2018,51(10):143-146.DOI:10.16577/j.cnki.42-1215/tb.2018.10.030.
[3]Panda B ,Sujata M ,Madan M , et al.Stress corrosion cracking in 316L stainless steel bellows of a pressure safety valve[J].Engineering Failure Analysis,2014,36379-389.
[4]Ziaei R M S ,Kokabi H A ,Mostowfi J .Failure Analysis: Sulfide Stress Corrosion Cracking and Hydrogen-Induced Cracking of A216-WCC Wellhead Flow Control Valve Body[J].Journal of Failure Analysis and Prevention,2014,14(3):376-383.
[5]Rao P ,Mulky L .Erosion‐Corrosion of Materials in Industrial Equipment: A Review[J].ChemElectroChem,2023,10(16):
[6]黄继汤．空化与空蚀的原理及应用[M]．北京：清华大学出版社，1991．
[7]Amarendra H ,Chaudhari G ,Nath S .Synergy of cavitation and slurry erosion in the slurry pot tester[J].Wear,2012,290-29125-31.
