高強(qiáng)度鋁合金閥門螺母破裂原因分析

謝 飛，夏志偉

（蘇州華碧微科檢測技術(shù)有限公司，江蘇 蘇州215024）

1 引言

某組合式工業(yè)氧氣瓶組使用的集氣管道在使用一年多時間后，焊接在管道端部的高強(qiáng)度鋁合金閥門螺母在更換氧氣瓶組時發(fā)生破裂。經(jīng)了解，該氧氣瓶組由20罐氧氣瓶組成，由1根焊接了20個接口的合金集氣管，通過一端的閥門集中充放氣。

應(yīng)力腐蝕破裂是指金屬材料或構(gòu)件在張應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)共同作用下發(fā)生的失效現(xiàn)象[1]。它常出現(xiàn)于鍋爐用的金屬、黃銅、高強(qiáng)度鋁合金中。一般在拉伸應(yīng)力作用下才能引起應(yīng)力腐蝕開裂。這種拉應(yīng)力可以是外加載荷造成的應(yīng)力，也可以是各種殘余應(yīng)力，如焊接殘余應(yīng)力，熱處理殘余應(yīng)力和裝配應(yīng)力等。產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的環(huán)境總是存在特定腐蝕介質(zhì)，這種腐蝕介質(zhì)一般都很弱，如果沒有拉應(yīng)力的同時作用，材料在這種介質(zhì)中腐蝕速度很慢，產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的介質(zhì)一般都是特定的，如黃銅在氨氣氛中，高強(qiáng)度鋁合金在具有氯離子的腐蝕介質(zhì)中容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕。

2 檢驗過程與結(jié)果

2.1 宏觀檢查

圖1 管道閥門及配套破裂螺母

圖2 管道閥門螺紋缺失

對閥門接口的螺紋及破裂的配套合金螺母進(jìn)行宏觀檢查，見圖1。閥門接口螺紋起始段存在螺紋缺失，見圖2；高強(qiáng)度鋁合金螺母管壁外張變形呈喇叭狀，螺母表面存在4條縱向貫穿螺母管壁的裂紋，見圖3；螺母外側(cè)于裂紋端部可見細(xì)小裂紋，呈不規(guī)則擴(kuò)展，見圖4。螺母縱向貫穿裂紋的內(nèi)螺紋位置存在嚴(yán)重磨損，并沿螺紋環(huán)向擴(kuò)展，見圖5、圖6。

圖3 螺母破裂時外觀照

圖4 破裂螺母外側(cè)裂紋端部

圖5 破裂螺母內(nèi)側(cè)螺紋缺失

圖6 破裂螺母內(nèi)側(cè)裂紋環(huán)向擴(kuò)展

2.2 顯微組織觀察及分析

對高強(qiáng)度鋁合金螺母進(jìn)行橫向顯微組織觀察，由圖7可知，高強(qiáng)度鋁合金閥門螺母的橫向顯微組織為奧氏體組織，組織較均勻，伴生孿晶，擴(kuò)展裂紋周圍存在腐蝕坑，裂紋沿晶界擴(kuò)展，為典型的沿晶斷裂。

圖7 耐腐防滲層傅里葉紅外分析圖譜

2.3 斷口觀察及能譜成分分析

圖8 螺母斷口宏觀照片

圖9 螺母裂紋斷面附近螺紋宏觀照片

圖10 螺母斷口能譜分析照片

將高強(qiáng)度鋁合金螺母的縱向裂紋打開，斷口經(jīng)超聲波清洗處理后進(jìn)行斷口形貌觀察。宏觀下可見裂紋斷口及內(nèi)螺紋缺失位置均存在氧化變色，且靠近內(nèi)螺紋缺失位置的斷口氧化顏色更深，見圖8、圖9；微觀下裂紋斷口位置的晶粒輪廓明顯，呈“冰糖塊”，屬于典型的沿晶斷口[2]。局部位置存在氧化產(chǎn)物，對其進(jìn)行能譜成分分析，主要成分除了金屬自身成分外還含有氧（O）、氯（Cl）、鋅（Zn）、鎂（Mg）、鉀（K）、鈣（Ca）等元素，見圖10。

2.4 成分分析

采用全譜直讀光譜儀對高強(qiáng)度鋁合金閥門螺母進(jìn)行化學(xué)成分檢測，檢測結(jié)果見表1。

表1 螺母化學(xué)成分檢測結(jié)果（%）

由上表可知，高強(qiáng)度鋁合金閥門螺母的化學(xué)成分雖然個別元素不能滿足GB/T 20878-2007《不銹鋼和耐熱鋼 牌號及化學(xué)成分》中所列的某些金屬材料牌號（如S35350、S35950）要求，但是仍屬于奧氏體范疇。

3 結(jié)果分析

本文中的高強(qiáng)度鋁合金螺母為奧氏體金屬材料，螺母內(nèi)螺紋位置存在螺紋磨損、缺失，六角螺母的四個面均出現(xiàn)縱向貫穿裂紋，說明在螺母發(fā)生破裂前涉案螺母內(nèi)螺紋與閥門螺紋已經(jīng)發(fā)生了異常磨損，造成螺母內(nèi)螺紋缺失、表面不平整等缺陷；其顯微組織為奧氏體組織，組織均勻；主裂紋屬于沿晶裂紋，裂紋附近的晶界位置存在腐蝕點坑，結(jié)合斷口的能譜分析結(jié)果可知，除了材料自身所含元素，斷口位置還含有較高的氧元素和少量的腐蝕性氯元素，分析認(rèn)為，螺母是從螺紋缺陷位置受到腐蝕及外應(yīng)力共同作用發(fā)生應(yīng)力腐蝕[3]。

本文中高強(qiáng)度鋁合金螺母作為緊固件材料，其內(nèi)螺紋位置會持續(xù)受自身鎖緊力或外部擰緊力作用，屬于應(yīng)力集中最大處，在管道輸送氧氣及工況環(huán)境介質(zhì)的共同作用下發(fā)生應(yīng)力腐蝕，會持續(xù)降低緊固件材料的強(qiáng)度。該工業(yè)氧氣瓶組作為循環(huán)充氣使用的產(chǎn)品，若其螺母內(nèi)螺紋位置的初始裂紋不能及時被檢出，最終會使得螺母發(fā)生破裂。

綜上分析可知，涉案螺母由于與閥門存在異常磨損，導(dǎo)致內(nèi)螺紋缺失，出現(xiàn)表面缺陷，同時螺紋缺陷處作為材料的應(yīng)力集中最大處，并在工況使用環(huán)境介質(zhì)的共同作用下發(fā)生應(yīng)力腐蝕，最終導(dǎo)致高強(qiáng)度鋁合金螺母發(fā)生破裂。

4 結(jié)論及建議

(1)本文中高強(qiáng)度鋁螺母緊固件由于內(nèi)螺紋的磨損缺失出現(xiàn)表面缺陷，在工況環(huán)境介質(zhì)作用下于表面缺陷處發(fā)生應(yīng)力腐蝕，最終導(dǎo)致合金螺母破裂。

(2)采用抗磨損及抗應(yīng)力腐蝕性能更加優(yōu)越的材料制造螺母。

(3)工業(yè)生產(chǎn)過程中，應(yīng)定期對氣瓶閥門及管道接口緊固件進(jìn)行檢驗，避免氣瓶閥門及管道接口出現(xiàn)破損缺失，同時應(yīng)查明氯的來源，避免氯接觸到管道材料發(fā)生應(yīng)力腐蝕。