某氫氣管道閥門緊固螺柱斷裂原因分析

楊 鎮(zhèn)

(寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900)

0 引言

某企業(yè)氫氣管道突發(fā)泄漏故障，經(jīng)對泄漏源觀察，發(fā)現(xiàn)泄漏系氫氣管道吹掃管上一小型截止閥中分面緊固螺柱斷裂所致。對管道進(jìn)行緊急停氣泄壓處理，更換故障閥門后恢復(fù)管道運(yùn)行。為查找閥門泄漏原因，避免以后發(fā)生類似故障，文中利用多類分析手段對螺柱斷裂失效原因進(jìn)行分析研究。

1 氫氣閥門使用工況及失效狀態(tài)

失效氫氣閥門為國產(chǎn)閥門，不銹鋼制，型號J41W －16P，公稱直徑25 mm，公稱壓力1.6 MPa，位于某氫氣管道的吹掃支管上，如圖1所示。該氫氣管道設(shè)計壓力1 MPa，最高使用壓力0.7 MPa，使用溫度為常溫，建于2004年，已使用約9年。吹掃支管尺寸為DN25，其作用是在需要時通過接入氮?dú)獾葰庠磳錃夤艿肋M(jìn)行吹掃置換，因此，正常情況下該閥門應(yīng)處于常關(guān)狀態(tài)。

圖1 泄漏氫氣閥門簡況及位置示意

閥門泄漏路徑在閥門閥體與閥桿連接法蘭中分面上。該對法蘭依靠4組緊固件緊固，每組由一個M8雙頭螺柱、2個螺帽和相應(yīng)的墊片組成。打開該中分面，發(fā)現(xiàn)緊固中分面法蘭的4個雙頭螺柱中有兩個發(fā)生斷裂，將這兩個斷裂的雙頭螺柱編號為1#和2#(其中，1#螺柱斷裂，且上半截丟失)，另兩個未斷裂的雙頭螺柱編號為3#和4#，見圖 2，3。

圖2 泄漏氫氣閥門及雙頭螺柱位置示意

圖3 雙頭螺柱宏觀形貌

對4個螺柱的宏觀檢查發(fā)現(xiàn):1#，2#螺柱的斷裂均發(fā)生在螺柱中間光桿部分;3#，4#螺柱表面肉眼觀察無開裂，但經(jīng)滲透探傷檢查卻發(fā)現(xiàn)4#螺柱表面存在一些軸向裂紋。另外，螺柱材料看似不銹鋼，但表面局部銹蝕較嚴(yán)重。

2 氫氣閥門緊固螺柱斷裂原因分析

2.1 螺柱材質(zhì)分析

根據(jù)肉眼觀察可推測雙頭螺柱材質(zhì)為不銹鋼，查閱圖紙也證明了這一點，但圖紙并未給出具體的材料牌號，因此首先對螺柱材料的組織和化學(xué)成分進(jìn)行分析。選取1#螺柱(斷裂螺柱)和3#螺柱(未開裂螺柱)進(jìn)行化學(xué)成分檢測，選取2#螺柱(斷裂螺柱)進(jìn)行金相組織分析，結(jié)果分別見表1和圖4。

表1 雙頭螺柱材料的化學(xué)成分 %

由檢測結(jié)果可推測這批緊固螺柱的材料為奧氏體不銹鋼，但與常見的鉻鎳系奧氏體不銹鋼不同，它們的碳含量和錳含量較高，鉻和鎳的含量則較少，由此判斷其屬于鉻錳或鉻錳氮系奧氏體不銹鋼，相當(dāng)于美國200系列不銹鋼。然而，與不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)［1］中列有的國內(nèi)外鉻錳系奧氏體不銹鋼牌號對照，螺柱鋼材不符合任何一種牌號的不銹鋼，只是相對接近其中的2Cr13Mn9Ni4(文獻(xiàn)［1］中將其新編為20Cr13Mn9Ni4)。

表1中最后一行給出了2Cr13Mn9Ni4的成分范圍，與之相比，螺柱材料的碳含量稍高，硅含量稍低，錳含量明顯偏低。故此處暫無法對螺柱材料命名，下文中也只能用鉻錳系不銹鋼來籠統(tǒng)表示。

圖4 2#螺柱斷口附近組織形貌 100×

進(jìn)一步對2#螺柱和4#螺柱取樣進(jìn)行硬度測量，測得2#螺柱硬度為291～307 HBW，4#螺柱硬度為285～292 HBW。由此可見，螺柱材料硬度值較高，但它們基本處于正常水平，這與該類鋼種Mn含量和C含量高的情況對應(yīng)。同時，按照GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定——標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗法》對2#螺柱取縱截面進(jìn)行非金屬夾雜物評級，結(jié)果為:細(xì)系 A1.0級，D2.0級，并存在粗大的夾渣(見圖5)，說明此斷裂螺柱的材料制造質(zhì)量偏差。

圖5 2#螺柱夾渣形貌 100×

2.2 斷口宏、微觀分析

對螺柱斷口進(jìn)行宏觀及微觀分析是推測開裂原因最有效的手段之一［2－6］。首先觀察斷口宏觀形貌特征(見圖6)，發(fā)現(xiàn):斷口較平齊，呈顆粒狀，塑性變形痕跡不明顯，宏觀上可視為脆性斷口;斷口較灰暗，且1#和2#螺柱斷口顏色有所不同，1#偏深，接近深棕色，2#斷面上大部分區(qū)域呈鐵灰色，少部分區(qū)域則顏色較深。這暗示著兩個螺柱的斷裂時間不同，1#可能更早些。由于螺柱材質(zhì)是奧氏體不銹鋼，結(jié)合斷口宏觀形貌初步推測可能與應(yīng)力腐蝕開裂(SCC)有關(guān)［7－10］。

圖6 斷裂的雙頭螺柱斷口宏觀形貌

進(jìn)一步放大斷口進(jìn)行觀察，獲得兩個斷裂螺柱斷口的低倍和高倍照片，見圖7～10。同時，采用掃描電鏡EDAX能譜儀對斷口表面覆蓋物進(jìn)行能譜成分分析，結(jié)果如表2所示。另外，對2#螺柱截取縱向截面觀察裂紋形貌，見圖11。形貌分析表明:兩個斷口形貌接近，沒有疲勞輝紋，有明顯的沿晶斷裂和少量穿晶斷裂特征，并存在斷面二次開裂現(xiàn)象。能譜分析表明，斷口表面覆蓋物中含有S和Cl等有害元素。

圖7 1#螺柱斷口低倍形貌

圖8 1#螺柱斷口高倍形貌

圖9 2#螺柱斷口低倍形貌

圖10 2#螺柱斷口高倍形貌

表2 1#及2#螺柱斷口能譜分析結(jié)果

從圖11還可以看出，螺柱斷口邊緣、螺牙甚至螺柱心部均存在大量裂紋，這些裂紋基本沿晶界分布，且縱橫交錯，有明顯的分支特征。

圖11 2#螺柱中的裂紋形貌 50×

2.3 螺柱斷裂原因分析及討論

根據(jù)以上斷口和金相組織分析結(jié)果來看，由于未觀察到疲勞輝紋，首先可排除疲勞引發(fā)斷裂的可能。其次，根據(jù)文獻(xiàn)［2］描述，抗拉強(qiáng)度大于1050 MPa的鋼材才會發(fā)生氫脆斷裂，而且奧氏體對氫的敏感程度較低，由于斷裂螺柱并非高強(qiáng)螺栓，材料組織為奧氏體，且斷口上未觀察到氫脆斷口上常見的“白點”，因此，雖然閥門介質(zhì)為氫氣，但螺柱發(fā)生氫脆的可能性基本也可排除。這樣，螺柱失效的原因可確定為與應(yīng)力腐蝕開裂有關(guān)，因為斷口形貌和其上殘存氯元素等特征與應(yīng)力腐蝕開裂常見的斷口特征基本吻合，而裂紋多分支形態(tài)在應(yīng)力腐蝕開裂中亦很典型［6－9］。

不銹鋼產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂(SCC)需要具備三個基本條件［6－9］:材料條件，即合金材料對特定的介質(zhì)敏感;環(huán)境條件，即合金材料處于敏感的腐蝕介質(zhì)中;力學(xué)條件，即合金材料受到一定量的靜拉伸應(yīng)力作用。對于DN25的普通閥門而言，4個M8的不銹鋼螺柱足以承受正常的緊固拉力，并不存在負(fù)載過大的問題，然而，作為閥門緊固件，雙頭螺柱的主要作用就是通過被拉長來確保閥門法蘭的密封閉合，因此其軸向必然承受拉伸應(yīng)力作用，也就是說，其發(fā)生SCC的力學(xué)條件天然存在。環(huán)境條件方面，氫氣管道閥門及其緊固螺柱均處于大氣環(huán)境中，似乎并不存在特別的腐蝕條件。然而，工廠大氣中不免存在硫氯等腐蝕性成分，而螺柱所處冷軋區(qū)域的空氣酸性成分含量可能更高，文獻(xiàn)［6］表明，有時在腐蝕介質(zhì)濃度很低的情況下材料也會發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂，文獻(xiàn)［8］中也表明腐蝕性成分非?？赡茉趯ζ涿舾械慕饘俦砻婕?xì)小溝槽等微小缺陷處富集濃縮。由此可以推測，表2所示斷口腐蝕產(chǎn)物中的氯就來源于氫氣閥門所處工業(yè)大氣。這說明螺柱發(fā)生SCC的環(huán)境條件同樣是天然具備且很難被改變。因此，材料條件成為原因分析的關(guān)鍵。

從上文分析已知閥門緊固螺柱的材質(zhì)為鉻錳或鉻錳氮系奧氏體不銹鋼。與常見的鉻鎳系奧氏體不銹鋼相比，它們的共同之處在于兩者的組織形式都表現(xiàn)為奧氏體，鉻鎳系不銹鋼主要以鎳為奧氏體化元素，鉻錳系則減少了鎳的用量，通過加入較多的錳和氮來替代貴金屬鎳實現(xiàn)奧氏體化。錳在鋼中可以起到穩(wěn)定奧氏體的作用，氮可以促進(jìn)形成并穩(wěn)定奧氏體，同時還有很好的固溶強(qiáng)化作用，可提高奧氏體不銹鋼的強(qiáng)度。因此，與鉻鎳系不銹鋼相比，鉻錳系具有成本低(省鎳)、強(qiáng)度高、耐磨性好等優(yōu)點，近年來在國內(nèi)使用、發(fā)展較快。然而，鉻錳系不銹鋼抗晶間腐蝕和抗點腐蝕能力相對鉻鎳系較差，綜合力學(xué)性能、工藝性能及可焊性等加工性能也相對較差，只適宜在耐蝕性要求不太高的設(shè)備和部件上使用［11］。

由表1數(shù)據(jù)可知，被分析螺柱材料的碳含量較高，達(dá)到了近0.3%。國內(nèi)外現(xiàn)有鉻錳系奧氏體不銹鋼品種較多［1，11］，其中大部分品種的碳含量都低于0.15%，只有少部分品種的碳含量較高，如 2Cr13Mn9Ni4的碳含量為 0.15% ～0.25%。盡管碳也是促進(jìn)奧氏體形成并提高不銹鋼強(qiáng)度的元素，但碳含量偏高對于不銹鋼的耐蝕性是不利的，它可能與鉻形成碳化物，造成晶界貧鉻，從而弱化螺柱的抗晶間腐蝕能力。事實上，螺柱斷口微觀形貌確實表現(xiàn)出明顯的沿晶特征，說明其晶界比較薄弱，而這種薄弱應(yīng)該與碳含量偏高有較大關(guān)系。

總之，對于需要承受緊固拉力作用且長期處于腐蝕性大氣環(huán)境中的閥門緊固螺柱而言，選用碳含量較高的鉻錳系奧氏體不銹鋼不夠妥當(dāng)。大氣中的氯離子很可能在螺紋縫隙或螺柱表面微裂紋內(nèi)附著并富集，使得材料破壞所需應(yīng)力下降，同時，這些氯離子會在垂直于螺柱拉應(yīng)力的方向侵入并破壞這些微小缺陷表面原有的氧化層保護(hù)膜，而拉伸應(yīng)力會使得缺陷尖端始終存在應(yīng)力集中，阻礙新保護(hù)膜形成或使得新形成的保護(hù)膜破裂，從而導(dǎo)致缺陷尖端始終暴露在氯離子等腐蝕介質(zhì)中，不斷通過電池作用而溶解。這樣，隨著時間的增長，螺柱表面原有的微小缺陷將逐漸長大，直至達(dá)到臨界尺寸而令螺柱突然脆斷。由于晶界處的保護(hù)膜更容易受到破壞，而碳含量較高的鉻錳奧氏體不銹鋼的晶界恰好又較弱，因此腐蝕會有選擇性地沿晶界進(jìn)行，最終形成的斷口也就具有了沿晶斷裂特征。

當(dāng)然，應(yīng)力腐蝕開裂的成因和過程非常復(fù)雜。除選材外，螺柱制造質(zhì)量也會在一定程度上影響應(yīng)力腐蝕開裂的進(jìn)程。前述對未斷裂螺柱的表面探傷檢查和對斷裂螺柱的內(nèi)部微觀檢查表明，這批螺柱至少部分存在一些制造欠佳的現(xiàn)象，包括心部存在粗大夾渣和開裂，以及外表面存在縱向分布線性缺陷。這些缺陷可能不是導(dǎo)致螺柱斷裂的直接原因，但它們會成為促進(jìn)螺柱斷裂的因素，并影響著螺柱起裂和裂紋擴(kuò)展時間的長短。

2.4 防螺柱斷裂對策討論及建議

上述分析表明，本次氫氣閥門緊固螺柱失效類型基本可確定為由氯離子等腐蝕性介質(zhì)引起的奧氏體不銹鋼的晶間型應(yīng)力腐蝕開裂?？紤]到應(yīng)力腐蝕三要素中的環(huán)境條件和力學(xué)條件幾乎不可能被改變，要避免類似的螺柱斷裂失效事件，關(guān)鍵在于螺柱選材和制造。

對于處于工廠大氣環(huán)境中的氫氣管道以及其他介質(zhì)管道的不銹鋼閥門及配套件，應(yīng)避免選擇碳含量高的鉻錳不銹鋼制作件，而應(yīng)選擇耐應(yīng)力腐蝕開裂的低碳或超低碳鉻鎳型奧氏體不銹鋼制作。如果確實有成本方面的限制，也可考慮使用對晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕開裂不敏感的鐵素體型不銹鋼。

然而，僅僅選材正確可能仍不夠。一般來說，DN25的閥門只是管道系統(tǒng)的一個小附件，而緊固螺柱只是閥門的一個小配件。對于一項規(guī)模較大的管道建設(shè)項目而言，螺柱甚至閥門的選材以及實際制作質(zhì)量很可能被忽略，從而為管道使用埋下隱患。在本次閥門螺柱斷裂故障發(fā)生后，追溯管道圖紙資料，未能找到廠商、品牌、材質(zhì)、質(zhì)量證明文件等與螺柱有關(guān)的信息，而螺柱化學(xué)成分分析也表明其未與國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)中的任何一種鉻錳系不銹鋼成分相符，說明在企業(yè)的管道工程項目中，對于閥門、法蘭、螺栓等管道附件的管理還需要細(xì)化和強(qiáng)化，比如，對這些附件應(yīng)強(qiáng)制規(guī)定必須提供質(zhì)量證明文件等。

由于原因分析已認(rèn)定閥門緊固螺柱選材不妥，那么現(xiàn)存氫氣管道以及該氫氣管道所屬整個項目中的同類閥門都可能存在同樣的選材不當(dāng)以及應(yīng)力腐蝕開裂隱患。為此組織對所有閥門進(jìn)行檢查，果然在某同期氮?dú)夤艿篱y門上也發(fā)現(xiàn)了類似緊固螺栓斷裂問題。目前，對檢查中發(fā)現(xiàn)的失效緊固件已全部進(jìn)行更換整改，對于檢查未發(fā)現(xiàn)問題的管道閥門及配套緊固件，在短期內(nèi)將其全部予以預(yù)防性更換并不現(xiàn)實，建議持續(xù)做好管道日常檢查、年度檢查和壓力管道定期檢驗工作，確保及時發(fā)現(xiàn)和解決問題。

3 結(jié)論

本次閥門緊固螺柱斷裂從而引發(fā)氫氣泄漏的主要原因是螺柱的晶間型應(yīng)力腐蝕開裂。誘發(fā)應(yīng)力腐蝕開裂的主要因素是不恰當(dāng)?shù)穆葜x材。碳含量較高的鉻錳系奧氏體不銹鋼不適宜用作處于工廠大氣環(huán)境中的管道閥門及其緊固件用材。

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