某閥門螺栓斷裂失效分析

夏明磊* 羅 懿

（中海油（天津）管道工程技術(shù)有限公司）

0 引言

某氣田生產(chǎn)分離器用閥門運(yùn)行了一段時(shí)間后發(fā)生斷裂失效。該閥門共有4 對(duì)螺栓螺母，其中2 根螺栓在螺栓頭處發(fā)生斷裂，螺桿基本無(wú)變形；1 根螺栓在螺紋處發(fā)生斷裂且螺桿發(fā)生彎曲變形；1 根螺栓未斷裂，但螺桿發(fā)生明顯的彎曲變形。閥門操作壓力為6.895×103kPa，操作溫度為90°F，介質(zhì)為天然氣。閥門材質(zhì)為316 不銹鋼，尺寸為DN25 mm。失效閥門實(shí)物如圖1 所示。

圖1 失效閥門實(shí)物

1 宏觀分析

根據(jù)失效閥門的變形量大小將4 根螺栓依次編號(hào)為1#～4#，如圖2 所示。其中，1#螺栓基本無(wú)形變，在螺栓頭根部發(fā)生斷裂；2#螺栓有輕微形變，且螺栓頭根部發(fā)生斷裂；3#螺栓螺桿中部軸向有一處彎曲變形，且螺紋處發(fā)生斷裂；4#螺栓兩端軸向各有一處彎曲變形，未發(fā)生斷裂。

圖2 4組失效螺栓宏觀形貌對(duì)比圖

圖3 a）和圖3 b）分別為1#螺栓的宏觀整體形貌及斷口形貌圖。其斷裂位置位于腐蝕嚴(yán)重的螺栓頭根部，斷口呈現(xiàn)出了特征明顯的三個(gè)區(qū)域：其中Ⅰ區(qū)斷口平整，腐蝕嚴(yán)重，為裂紋源區(qū)；Ⅱ區(qū)表面腐蝕輕微，部分區(qū)域有金屬光澤，為擴(kuò)展區(qū)；Ⅲ區(qū)呈杯狀形貌，為瞬斷區(qū)。裂紋在源區(qū)起裂，在拉應(yīng)力作用下向兩側(cè)及中心擴(kuò)展，在擴(kuò)展過(guò)程中形成了解理臺(tái)階并繼續(xù)擴(kuò)展，最終在外力作用下瞬斷，形成杯狀斷口。

圖3 1#螺栓宏觀形貌圖

圖4 a）和圖4 b）分別為2#螺栓的宏觀整體形貌及斷口形貌圖。其斷裂位置位于腐蝕較嚴(yán)重的螺栓頭根部。另一端螺紋部分腐蝕不嚴(yán)重，螺桿部分則有輕微腐蝕。該斷口為杯狀斷口，裂紋源區(qū)位于螺桿中心區(qū)域，且腐蝕明顯。周圍腐蝕輕微的區(qū)域?yàn)閿U(kuò)展區(qū)，杯狀斷口的邊緣為剪切唇。螺栓頭及其附近的螺桿部分表面可見腐蝕產(chǎn)物層，而裂紋源處表面發(fā)暗，腐蝕產(chǎn)物層并不明顯。

圖4 2#螺栓宏觀形貌圖

圖5 a）和圖5 b）分別為3#螺栓的宏觀整體形貌及斷口形貌圖。由圖5 可知，3#螺栓產(chǎn)生了較大的塑性變形。螺紋部分有腐蝕跡象，螺桿部分有兩處輕微腐蝕，而螺栓頭部分未發(fā)生腐蝕。斷裂發(fā)生于腐蝕嚴(yán)重的螺紋處，該處即為裂紋源。周圍半金屬光澤區(qū)為擴(kuò)展區(qū)。在擴(kuò)展區(qū)可以明顯觀察到與螺桿橫斷面呈一定斜度的紋路，表明該斷口是在拉應(yīng)力和切應(yīng)力同時(shí)作用下形成的。此外，3#螺栓斷口沒有剪切唇，也沒有出現(xiàn)“頸縮”現(xiàn)象，這說(shuō)明螺栓是在快速的沖擊力作用下發(fā)生了脆性斷裂[1]。

圖5 3#螺栓宏觀形貌圖

圖6 為4#螺栓的宏觀整體形貌。由圖6 可知，4#螺栓未斷裂，且沒有明顯腐蝕現(xiàn)象，但其形變量為4 個(gè)螺栓中最大。

圖6 4#螺栓宏觀形貌圖

2 微觀形貌及能譜分析

按照GB/T 16545—2015《金屬和合金的腐蝕 腐蝕試樣上腐蝕產(chǎn)物的清除》標(biāo)準(zhǔn)中的化學(xué)法對(duì)斷口進(jìn)行清洗，采用EVO 18 掃描電子顯微鏡（SEM）和OXFORD X-MaxN 型能譜儀（EDS）分別觀察1#～4#螺栓的微觀形貌，并進(jìn)行微區(qū)成分分析。

圖7 a）為1#螺栓裂紋源附近放大20 倍的微觀形貌。由圖7 可見，斷口表面有殘留的腐蝕產(chǎn)物以及裂紋在擴(kuò)展過(guò)程中形成的臺(tái)階。微區(qū)成分檢測(cè)結(jié)果表明Cl元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.6%，且含有一定量的S。圖7 b）為1#螺栓裂紋源區(qū)放大1 000 倍的微觀形貌。其表面存在龜裂裂紋，是應(yīng)力腐蝕的典型特征[2-3]。圖7 c）為1#螺栓裂紋擴(kuò)展區(qū)放大1 000 倍的微觀形貌，由圖7 可見明顯的臺(tái)階和和河流狀花樣[4]。

圖7 1#螺栓微觀形貌

圖8 分別為2#螺栓的裂紋源區(qū)在20 倍、200 倍、800 倍的放大倍數(shù)下的微觀形貌。由圖8 a）可知，裂紋源位于斷口中心處，且發(fā)生了明顯的分層。圖8 b）中可見3 層呈臺(tái)階狀逐層覆蓋的區(qū)域，并向上微微拱起，在交匯處形成空穴，空穴處未發(fā)現(xiàn)夾雜物。由圖8 c）可見典型的臺(tái)階和河流花樣，為解理特征。

圖8 2#螺栓裂紋源區(qū)形貌

3 化學(xué)成分分析

由于受到失效件形狀的限制，因此采用Spectro xsort 手持式X 射線熒光分析儀分別檢測(cè)1#～4#螺栓的化學(xué)成分。光管電壓為25 KeV，光管電流為150 μA，測(cè)量時(shí)間為10 s，化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果可見表1。結(jié)果表明，1#～4#螺栓的Cr 元素含量均高于ASTM A240 A240M-07e1《Standard Specification for Chromium and Chromium-Nickel Stainless Steel Plate，Sheet， and Strip for Pressure Vessels and for General Applications》標(biāo)準(zhǔn)上限，且Mo 元素遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，螺栓的材質(zhì)不符合ASTM 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)316 不銹鋼的要求。

表1 失效件化學(xué)成分分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

4 X射線衍射（XRD）分析

在腐蝕嚴(yán)重的部位刮取腐蝕產(chǎn)物，依次用石油醚、酒精清洗腐蝕產(chǎn)物并烘干、研磨。采用D/max-rA 型X 射線衍射儀對(duì)試樣進(jìn)行XRD 分析，掃描角度2θ為3° ～80°，采樣步寬為0.02，波長(zhǎng)為1.5 405 6 nm。測(cè)試結(jié)果如圖9 所示。結(jié)果表明：腐蝕產(chǎn)物的主要成分為Fe8（O，OH）16Cl1.3，結(jié)合EDS 結(jié)果進(jìn)行分析，可以推測(cè)服役環(huán)境中含有Cl 元素。

圖9 XRD結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)卡片比對(duì)圖

5 分析與討論

一般情況下，首斷件的塑性變形通常最小，而與其相關(guān)聯(lián)的部件塑性變形較明顯。從宏觀分析可知，1#螺栓變形量最小，應(yīng)為首斷件。4#螺栓在2#螺栓、3#螺栓斷裂后失去了約束，在閥內(nèi)高壓氣體沖擊作用下承受巨大扭矩而使螺桿兩端發(fā)生彎曲變形。失效螺栓的Mo 元素遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)對(duì)316 不銹鋼的要求。由于Mo 元素含量低，大大降低了耐海洋大氣腐蝕能力和耐Cl 離子腐蝕能力，因此在有Cl 離子存在的環(huán)境下，316 不銹鋼的腐蝕速度要大于碳鋼的腐蝕速度。海洋大氣環(huán)境為高含鹽環(huán)境，加上海洋大氣環(huán)境相對(duì)潮濕，墊片與螺栓或螺母與螺栓之間運(yùn)動(dòng)可能導(dǎo)致鈍化膜發(fā)生磨損，在含氯離子環(huán)境中發(fā)生局部點(diǎn)蝕，形成裂紋源，誘發(fā)材料腐蝕[5]。失效螺栓所處服役環(huán)境的春、夏季空氣濕度大且露點(diǎn)溫度較高，因此當(dāng)環(huán)境溫度變化大時(shí)，閥門上容易形成凝結(jié)水。凝結(jié)水在底部螺栓頭和螺紋處聚集，優(yōu)先發(fā)生腐蝕[6]。由于螺栓是緊固件，當(dāng)閥體內(nèi)充滿高壓介質(zhì)時(shí)，其承受拉應(yīng)力的作用。在應(yīng)力和腐蝕環(huán)境共同作用下，1#螺栓先發(fā)生失效，失效后閥內(nèi)介質(zhì)泄漏，閥體失穩(wěn)，腐蝕較嚴(yán)重的2#螺栓在微量泄漏氣體的沖擊下發(fā)生失效，待2#螺栓失效后，泄漏量突增，閥內(nèi)高壓介質(zhì)沖擊閥蓋，導(dǎo)致3#、4#螺栓失效。

6 結(jié)論

（1）閥門失效是由于螺栓材質(zhì)不合格引起的，其化學(xué)成分不符合ASTM 標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)316 不銹鋼的要求。

（2）失效的閥門耐海洋大氣腐蝕和耐氯離子腐蝕能力差，且閥門未進(jìn)行刷漆防護(hù)，由于長(zhǎng)期暴露在海洋大氣環(huán)境中發(fā)生了應(yīng)力腐蝕，最終導(dǎo)致閥門失效。

（3）建議對(duì)閥門采取腐蝕防護(hù)措施，定期打磨、除銹刷漆，減緩海洋大氣腐蝕造成失效的速率。同時(shí)對(duì)閥門的材質(zhì)做進(jìn)場(chǎng)檢驗(yàn)，避免由于材質(zhì)不合格而引發(fā)失效。