取壓閥壓蓋螺栓斷裂分析

張 毅

（國家石油天然氣管網(wǎng)集團有限公司西氣東輸分公司）

螺栓廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的連接、緊固及密封等場合。 作為一種缺口型零件，螺栓在缺口部位（如螺桿根部、螺紋根部等）易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象［1］。螺栓的斷裂失效可導(dǎo)致結(jié)構(gòu)、設(shè)備等出現(xiàn)安全隱患，并引發(fā)重大事故。 螺栓的斷裂首先與螺栓材料的力學(xué)性能、組織等有關(guān)；其次與螺栓的工作應(yīng)力有關(guān)，如預(yù)緊力大小、應(yīng)力集中等。 同時螺栓工作環(huán)境下的腐蝕介質(zhì)、介質(zhì)濃度及溫度等因素也會影響螺栓的使用性能［2］。

某取壓閥壓蓋螺栓在使用過程中發(fā)生了斷裂，為了確定失效原因，對螺栓斷裂部位和未斷裂部位取樣，并進行宏觀檢查、化學(xué)成分分析、硬度測定、金相組織分析、斷口形貌及能譜分析等一系列試驗，分析了斷裂的原因，并提出了改進措施。

1 運行工況

取壓閥壓蓋螺栓使用約5 年后，4 根螺栓中有2 根發(fā)生了斷裂，其主要技術(shù)參數(shù)如下：

取壓閥介質(zhì) O2

取壓閥中的氧氣壓力 6.0MPa

規(guī)格 M10mm×42mm

設(shè)計材料 B8（304）

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 宏觀檢查

圖1 為4 根螺栓的形貌。 由圖1a 可見，1#和2#螺栓為完好螺栓， 螺紋根部均存在褐色垢物，螺栓性能等級為8.8 級；3#螺栓斷裂于無螺紋的光桿與六角頭的過渡部位， 斷口形貌如圖1c 所示，可見斷口整體較平整，最后斷裂區(qū)凹凸不平，整體無明顯塑性變形，同時斷口表面附著有褐色垢物；4#螺栓螺紋和光桿部位均存在腐蝕， 斷裂于光桿處，斷口表面附著有褐色垢物，如圖1d、e所示。

2.2 化學(xué)成分分析

對樣品進行的光譜分析結(jié)果見表1，1#～4#螺栓的C、Mn 含量均高于ASTM A193/A193M—17對B8 級材料規(guī)定的上限，Cr、Ni 含量均低于ASTM 193A/193M—17 對B8 級材料規(guī)定的下限，表明螺栓材料不符合要求。

2.3 硬度測定

在螺栓末端進行維氏硬度測定， 測定1/2 半徑與軸心部位的硬度值，1#螺栓維氏硬度高于2#、3#和4#螺栓，具體結(jié)果見表2。

圖1 螺栓形貌

表1 螺栓化學(xué)成分 wt%

表2 維氏硬度（HV）

2.4 金相組織分析

從1#、3#、4#螺栓截取金相試樣， 并且分別命名為JX1、JX2、JX3、JX4， 具體的取樣位置如圖2所示。

圖2 金相樣品取樣位置

JX1 為1#螺栓徑向截面樣品，組織形貌如圖3 所示。 由圖3 可看出，JX1 樣品組織為奧氏體，晶粒內(nèi)部產(chǎn)生了大量的相互平行和交叉的黑色線條，黑色線條終止于晶界；螺栓光桿部位的近外壁區(qū)存在由外表面向心部擴展的裂紋，裂紋無分支，深度約448μm。

圖3 JX1徑向截面組織形貌

JX2 為3#螺栓的徑向截面樣品，組織形貌如圖4 所示。 由圖4 可看出，JX2 樣品組織為奧氏體，晶粒中存在大量的黑色線條，外壁存在一條微裂紋。

圖4 JX2 徑向截面組織形貌

JX3 為4#螺栓斷口附近徑向截面樣品，組織形貌如圖5 所示。由圖5 可看出，JX3 樣品組織為奧氏體，整個截面存在黑色線條，有3 條由螺栓表面向心部擴展的裂紋。

圖5 JX3 徑向截面組織形貌

JX4 為4#螺栓軸向截面樣品， 組織形貌如圖6 所示。 由圖6 可看出，JX4 樣品組織晶粒中存在黑色線條， 螺紋牙底和牙頂晶粒均已發(fā)生變形。

2.5 斷口形貌與能譜分析

2.5.1 斷口形貌分析

發(fā)生斷裂的3#、4#螺栓樣品的斷口宏觀形貌如圖7 所示。

圖6 JX4 軸向截面金相組織

圖7 3#、4#螺栓斷口宏觀形貌

3#螺栓原始斷口形貌如圖8a 所示， 可見斷口表面覆蓋有大量的垢物；清洗后的斷口形貌如圖8b 所示，可見斷裂以沿晶形式為主，斷口整體呈應(yīng)力腐蝕開裂的特征。 4#螺栓清洗后的斷口形貌與3#螺栓的相近，如圖9 所示。

2.5.2 斷口能譜分析

用X 射線能譜儀對3#、4#螺栓斷口表面的垢物進行分析，分析結(jié)果見表3，可見，3#、4#螺栓斷口表面的垢物以氧化物為主（分別為25.15wt%、20.90wt%）， 并且伴有大量具有腐蝕性的S、Cl 元素及Na、Mg、K、Ca 等雜質(zhì)元素。

圖8 3#螺栓斷口形貌

圖9 4#螺栓清洗后斷口形貌

表3 垢物樣品能譜分析 wt%

3 分析結(jié)果

金相組織、斷口形貌和腐蝕產(chǎn)物分析結(jié)果表明，3#和4#螺栓斷裂性質(zhì)為應(yīng)力腐蝕開裂。 螺栓屬于Cr-Mn 系不銹鋼，這類鋼耐蝕性差；螺栓在安裝過程中預(yù)緊力大于屈服強度，導(dǎo)致螺栓發(fā)生了塑性變形，組織中出現(xiàn)滑移線；螺栓在長時間運行過程中， 周圍環(huán)境中介質(zhì)流到螺栓表面，介質(zhì)中含有S、Cl 元素，對螺栓產(chǎn)生了腐蝕；螺栓光桿與六角頭過渡部位存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，最終導(dǎo)致光桿與六角頭過渡部位發(fā)生了硫化物和Cl-應(yīng)力腐蝕開裂。

4 結(jié)論與建議

經(jīng)過分析，取壓閥壓蓋螺栓斷裂屬于應(yīng)力腐蝕開裂，具體原因為材料不符合要求，不宜在當前環(huán)境中使用；預(yù)緊力過大產(chǎn)生塑性變形導(dǎo)致螺栓斷裂。 建議按照設(shè)計要求確定材料， 在-20～250℃溫度范圍內(nèi)，選擇雙相鋼螺栓；根據(jù)相關(guān)標準和規(guī)程控制預(yù)緊力，確保在螺栓材料屈服強度的80%以內(nèi)。