酸性氣體分離器螺栓斷裂原因分析

宗國慶，楊文慶，劉曉蓉，田光榮，吳 瑞，李超逸

(1.內(nèi)蒙古北方重工業(yè)集團有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014030；2.成都嘉陵華西光學精密機械有限公司，四川 成都 611743)

V-1504酸性氣體分離器上的螺栓，是分離器上封頭與筒體的連接部件，材料為35CrMoA，規(guī)格為M24×190 mm。該批V-1504酸性氣體分離器使用30余天后，工作人員在高空巡檢時發(fā)現(xiàn)V-1504上封頭泄露，將封頭保冷拆除后發(fā)現(xiàn)有泄漏現(xiàn)象，緊固螺栓時多根螺栓發(fā)生斷裂。本文采用宏觀觀察、化學成分分析、硬度測試和力學性能對斷裂螺栓進行分析，找出螺栓斷裂的主要原因。

1 宏觀觀察

螺栓斷裂部位在連接分離器上封頭與筒體的螺栓光桿部分，距螺桿螺紋端頭112 mm，為橫向斷裂，斷裂螺栓外表面及斷裂面上覆蓋著一層黑灰色的產(chǎn)物和少量銹蝕。斷裂螺栓外觀及斷裂面宏觀形貌分別見圖1和圖2。斷裂源區(qū)起始于螺栓外圓的表面，從斷口形貌特征可以判定，該螺栓為一次脆性斷裂。

圖1 斷裂螺栓宏觀形貌Fig.1 Macromorphology of the bolt fracture

圖2 螺栓斷口形貌Fig.2 Fracture morphology of bolt

2 螺栓理化檢測

2.1 化學成分分析

在斷裂螺栓上取樣進行化學成分分析，結(jié)果見表1。該斷裂螺栓化學成分檢測結(jié)果符合標準GB/T 3077—1999中35CrMoA技術(shù)條件要求。

表1 螺栓化學成分分析結(jié)果(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 1 Analysis results of chemical composition of bolt(mass fraction，%)

2.2 維氏硬度檢測

在螺栓表面貧碳區(qū)和基體處分別進行維氏硬度檢測，結(jié)果見表2。依據(jù)標準GB 3098.1—1982《緊固機械性能螺栓、螺釘和螺栓》中10.9級螺栓硬度要求為32～39 HRC，基體硬度符合技術(shù)要求，脫碳區(qū)硬度不滿足技術(shù)要求。

表2 螺栓維氏硬度結(jié)果Table 2 Vickers hardness results of bolt

2.3 力學性能檢測

在斷裂螺栓上取樣進行拉伸性能檢測，結(jié)果見表3。該斷裂螺栓力學性能檢測結(jié)果符合標準GB/T3077—1999中35CrMoA技術(shù)條件要求。

表3 螺栓的拉伸試驗結(jié)果Table 3 Tensile test results of bolt

2.4 斷口形貌及能譜分析

螺栓斷口經(jīng)超聲波酒精清洗后，利用掃描電鏡對斷裂螺栓斷口微觀形貌進行觀察，因覆蓋物遮蓋無法看到真實的微觀斷裂形貌，但可見斷裂的螺栓外表面形貌為泥紋花樣，見圖3。螺栓心部形貌也是泥紋花樣，見圖4。斷裂區(qū)形貌為韌窩+撕裂嶺。對覆蓋物進行能譜分析，含有C、O、Al、Si、S、Cl、Ca、Mn、Fe等元素，見圖5。

圖3 螺栓外表面形貌Fig.3 Morphology of the outer surface of bolt

圖4 螺栓心部形貌Fig.4 Morphology of bolt core

2.5 金相檢驗

2.5.1螺栓斷裂處微觀檢測

在垂直和平行于螺栓斷裂處取樣進行金相觀察。可以看出，兩處裂紋形態(tài)相似，裂紋口部稍寬，裂紋尾部較為尖細，呈沿晶走向，裂紋尾部充滿深灰色的產(chǎn)物，微觀形貌見圖6。

斷裂面附近和螺栓基體均有較集中分布的非金屬夾雜物，見圖7。

圖5 覆蓋物形貌及能譜圖Fig.5 Morphology and energy spectrum of covering

(a) 垂直于斷裂面； (b)平行于斷裂面圖6 裂紋的微觀形貌(a)perpendicular to the fracture surface；(b)parallel to the fracture surfaceFig.6 Microstructure of the crack

在螺栓橫截面取樣制作金相試樣，經(jīng)4%硝酸酒精溶液浸蝕后，觀察螺栓外表面有脫碳現(xiàn)象，脫碳區(qū)最大深度為2 mm，脫碳區(qū)組織為索氏體。

2.5.2基體金相檢測

對斷裂螺栓母材基體進行顯微組織、非金屬夾雜物和晶粒度檢測?；w顯微組織為回火索氏體+貝氏體，回火索氏體位相明顯，貝氏體沿晶分布，見圖8；非金屬夾雜物檢測沒有發(fā)現(xiàn)硅酸鹽和球狀夾雜物，硫化物按標準GB/T 10561—2005評為細系2.5級，鏈狀氧化物可評為細系3.0級；晶粒度按標準GB/T 6394—2017評為4.0級80%，2.0級20%。

(a)斷裂面附近；(b)基體圖7 夾雜物微觀形貌(a) near fracture surface；(b)matrixFig.7 Microstructure of inclusions

(a)基體顯微組織；(b)貝氏體沿晶分布圖8 基體顯微組織(a)matrix microstructure；(b)distribution of Bainite along the intergranularFig.8 Microstructure of matrix

3 分析與討論

觀察螺栓表面有脫碳現(xiàn)象，脫碳的存在降低螺栓的疲勞強度、硬度和耐腐蝕性。這將對零件疲勞壽命產(chǎn)生不良影響，并促成裂紋的形成。

應力腐蝕裂紋是合金材料在應力和特定腐蝕環(huán)境的共同作用下，出現(xiàn)低于材料強度極限的脆性開裂現(xiàn)象[1]。各種金屬材料只有在特定的活性介質(zhì)中才發(fā)生應力腐蝕開裂，即對于一定的金屬材料，需要有一定特效作用的離子、分子或絡合物才會導致應力腐蝕開裂，甚至濃度很低也可以引起應力腐蝕開裂[2]。

大多數(shù)應力腐蝕開裂的共同特點是存在拉應力和腐蝕介質(zhì)。拉應力是產(chǎn)生腐蝕開裂的必要條件。本文中V-1504酸性氣體分離器螺栓，是分離器上封頭與筒體的連接部件，在其工作過程中會產(chǎn)生溫度梯度，在運行過程中，由于設(shè)備振動，螺栓承受一定的拉應力、熱應力及剪切力。V-1504酸性氣體分離器螺栓工作的周圍環(huán)境有水蒸氣和酸性氣體環(huán)繞，弱酸環(huán)境為發(fā)生應力腐蝕開裂提供了條件，EDS能譜分析結(jié)果證實斷口表面腐蝕產(chǎn)物存在S、Cl元素。同時，在拉應力作用下，酸霧中的氯離子、氫離子發(fā)生聚集，吸附在零件表面的空穴、腐蝕坑等缺陷處，使零件表面能或原子鍵的結(jié)合力降低，局部應力集中加劇，當裂紋的形核功大于裂紋尖端應力強度因子時，會導致環(huán)境脆斷微裂紋的形核和擴展[3]，從而出現(xiàn)微裂紋。

另外，該批螺栓基體非金屬夾雜物較多，夾雜物的存在分割了基體的連續(xù)性，成為裂紋的敏感區(qū)域[4]。尤其是非金屬夾雜物分布于零件表面時，容易造成應力集中，為應力腐蝕開裂優(yōu)先提供條件。

4 結(jié)論與建議

V-1504酸性氣體分離器上的螺栓斷裂原因是由于螺栓在使用過程中受到環(huán)境介質(zhì)和拉應力的共同作用，在其彎曲內(nèi)側(cè)產(chǎn)生應力腐蝕裂紋，導致在緊固螺栓時，沿著已有的微裂紋迅速開裂。鋼中非金屬夾雜物超標是促進和加速應力腐蝕裂紋萌生的因素。

建議從原材料投入嚴格把關(guān)，選用內(nèi)部潔凈的材料，減少應力腐蝕裂紋的形成；且零件表面應進行防腐處理，提高防腐能力。