球罐閥門奧氏體不銹鋼螺栓斷裂原因分析與解決對策

房俊義　鄭召斌

摘要：某集輸站球罐閥門法蘭連接用奧氏體不銹鋼螺栓，螺栓開裂或斷裂的位置都發(fā)生在螺栓中部光滑的園柱部位。斷裂或開裂螺栓沒有發(fā)生明顯的塑性變形，斷口中的不同部位不在同一截面上，構(gòu)成臺階狀斷口，斷口上覆蓋著黃褐色的腐蝕產(chǎn)物。如何防止類似螺栓的斷裂？為此進(jìn)行分析。根據(jù)以上宏觀觀察、微觀分析及系統(tǒng)討論，可得出結(jié)論：（1）球罐閥門奧氏體連接螺栓材質(zhì)不符合國標(biāo)，為不銹鋼廢料經(jīng)中頻混煉所得材料。（2）連接螺栓斷裂屬于應(yīng)力腐蝕斷裂。根據(jù)以上結(jié)論，提出以下建議，供廠家參考：（1）選擇成分合格的低碳不銹鋼螺栓材料，如選用奧氏體不銹鋼作為螺栓材料須經(jīng)充分固溶處理。（2）在制造螺栓中部光滑部分時也采用碾壓成型的加工工藝。

關(guān)鍵詞：球罐閥門：奧氏體不銹鋼；螺栓開裂；原因；措施

某集輸站球罐閥門法蘭連接用不銹鋼螺栓，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖1，其它球罐也多采用相同的不銹鋼螺栓連接。因?yàn)檫@些連結(jié)件多在大氣中使用，沒有保溫保護(hù)，從選材上來看選用不銹鋼作為螺栓材料是可行的。該組螺栓共經(jīng)使用一年左右發(fā)現(xiàn)5只斷裂，一只開裂，另外一只探傷發(fā)現(xiàn)有裂紋。其他相似的儲運(yùn)罐也采用同類不銹鋼螺栓，但不銹鋼類型不明。該不銹鋼螺栓兩頭有37.5mm長的M16螺紋，中間為15mm長的光滑圓柱。對奧氏體不銹鋼螺栓開裂原因進(jìn)行分析和討論，提出防止螺栓斷裂措施。

1宏觀分析

1.1螺栓的幾何尺寸測定。失效螺栓兩頭為M16的螺紋，長度為37.5mm，中間有15mm長的光滑圓柱，其中齒頂?shù)拿娣e為25.00mm2；齒根的面積為21.71mm2；中間圓柱處面積為23.09mm2。從所標(biāo)出的螺栓變截面處面積來看，螺栓齒根部分的面積最小，受力最大，工作應(yīng)力比螺栓中部高約6%。

1.2螺栓的化學(xué)成分測定。對螺栓的化學(xué)成分分析結(jié)果為（%）0.20C、0.80Mn、0.70Si、0.015S、0.024P、17.10Cr、8.20Ni、0.18Ti，故該螺栓既不屬于1Cr18Ni9，也不屬于1Crl8Ni9Ti。其碳含量高于國標(biāo)而合金元素Ti低于國標(biāo)。說明該螺栓材料是用市場上的不銹鋼廢料經(jīng)電頻爐混煉而得到的。

1.3斷裂螺栓的宏觀形貌觀察。螺栓開裂或斷裂的位置都發(fā)生在螺栓中部光滑的園柱部位。斷裂或開裂螺栓沒有發(fā)生明顯的塑性變形，斷口中的不同部位不在同一截面上，構(gòu)成臺階狀斷口，斷口上覆蓋著黃褐色的腐蝕產(chǎn)物。

2斷裂螺栓的微觀觀察

2.1螺栓的顯微金相觀察

取螺栓的軸向截面，做成金相試樣，經(jīng)拋光浸蝕后顯微組織?？梢钥闯鲈撀菟閵W氏體鍛鋼，其晶粒很細(xì)，晶粒直徑在5～30μm之間。晶界被細(xì)小的鏈狀碳化物所包圍。說明螺栓是經(jīng)過固溶處理，但碳化物未完全固溶進(jìn)去，所以固溶不充分。夾雜物以氧化物及氮化鈦為主。

2.2顯微硬度的測定

由于螺栓是個變截面部件，所以有必要對不同部位測定其顯微硬度，圖2為顯微硬度測定示意圖。

從測定結(jié)果看，螺栓的顯微硬度由外向里逐漸降低，其中螺紋段齒根處硬度最高（HRC43.2），中央心部最低（HRC30）。而光滑段的硬度低于螺紋段6.5HRC。

2.3裂紋形貌觀察

將斷裂螺栓沿軸向剖開發(fā)現(xiàn)斷口上分叉的二次裂紋。同時也發(fā)現(xiàn)了一條幾乎與斷口同一方向的擴(kuò)展裂紋，該裂紋起始端比較筆直，尾部有二次裂紋分叉，是典型的應(yīng)力腐蝕裂紋特征。斷口處的二次裂紋也是由應(yīng)力腐蝕所引起，在拋光的樣品上就可清楚地看出細(xì)小的晶粒（圖10）。通過對斷面及截面的微觀觀察，可以發(fā)現(xiàn)該螺栓斷裂屬于應(yīng)力腐蝕開裂，裂紋在應(yīng)力的作用下以晶間型應(yīng)力腐蝕開裂的方式擴(kuò)展。在電鏡下觀察斷口特征，可看到斷口不同層面上的脆斷形貌，說明螺栓斷裂時有多個斷裂源，且斷面不光滑，上面有許多二次裂紋。同時可看出細(xì)小的沿晶裂紋。斷面觀察說明斷裂由腐蝕引起，主要以沿晶方式斷裂。

2.4腐蝕產(chǎn)物分析

斷裂螺栓斷口表面覆蓋有黃褐色的腐蝕產(chǎn)物，在能譜下對其進(jìn)行分析。發(fā)現(xiàn)斷口表面所覆蓋的腐蝕產(chǎn)物主要為O、Fe、Ni、Mn、Cr、S、Cl。腐蝕產(chǎn)物中的S含量多于Cl，在大部分的區(qū)域腐蝕產(chǎn)物中s含量超過5%，而Cl在3%左右。在斷口的局部部位中Cl的含量超出了S。

3討論

根據(jù)以上的宏觀觀察和微觀分析可知，球罐閥門螺栓的開裂或斷裂是由應(yīng)力和S、Cl等腐蝕因子作用所造成的，即應(yīng)力腐蝕開裂（SCC）。對球罐閥門螺栓的軸向截面觀察中發(fā)現(xiàn)，螺栓齒根底部呈現(xiàn)帶狀的金相組織，說明該螺紋是經(jīng)碾壓而成型的，螺紋根部具有壓應(yīng)力，對其截面的顯微硬度測定結(jié)果也證實(shí)了這點(diǎn)。由于存在較大的壓應(yīng)力，使奧氏體不銹鋼對SCC并不敏感。而在螺栓中間的光滑段，就沒有這種碾壓后的金相組織，硬度偏低，在受拉應(yīng)力的作用易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。這就是為什么SCC開裂發(fā)生在螺栓的中部光滑部位，而不在受力較大的螺紋部位的主要原因。同時這次的螺栓材質(zhì)中c含量超標(biāo)、Ni含量接近下限、Ti含量低于國標(biāo)都給SCC留下了隱患。總之SO2-4及Cl-的存在、螺栓所受的拉應(yīng)力以及材質(zhì)成分的不合標(biāo)準(zhǔn)為球罐閥門螺栓的應(yīng)力腐蝕開裂提供了極為有利的條件，而使螺栓發(fā)生了晶間型應(yīng)力腐蝕斷裂。