取压阀压盖螺栓断裂分析

2021-01-18张毅

化工机械 2020年6期

张毅

（国家石油天然气管网集团有限公司西气东输分公司）

螺栓广泛应用于结构的连接、紧固及密封等场合。作为一种缺口型零件，螺栓在缺口部位（如螺杆根部、螺纹根部等）易产生应力集中现象［1］。螺栓的断裂失效可导致结构、设备等出现安全隐患，并引发重大事故。螺栓的断裂首先与螺栓材料的力学性能、组织等有关；其次与螺栓的工作应力有关，如预紧力大小、应力集中等。同时螺栓工作环境下的腐蚀介质、介质浓度及温度等因素也会影响螺栓的使用性能［2］。

某取压阀压盖螺栓在使用过程中发生了断裂，为了确定失效原因，对螺栓断裂部位和未断裂部位取样，并进行宏观检查、化学成分分析、硬度测定、金相组织分析、断口形貌及能谱分析等一系列试验，分析了断裂的原因，并提出了改进措施。

1 运行工况

取压阀压盖螺栓使用约5 年后，4 根螺栓中有2 根发生了断裂，其主要技术参数如下：

取压阀介质 O2

取压阀中的氧气压力 6.0MPa

规格 M10mm×42mm

设计材料 B8（304）

2 试验结果与分析

2.1 宏观检查

图1 为4 根螺栓的形貌。由图1a 可见，1#和2#螺栓为完好螺栓，螺纹根部均存在褐色垢物，螺栓性能等级为8.8 级；3#螺栓断裂于无螺纹的光杆与六角头的过渡部位，断口形貌如图1c 所示，可见断口整体较平整，最后断裂区凹凸不平，整体无明显塑性变形，同时断口表面附着有褐色垢物；4#螺栓螺纹和光杆部位均存在腐蚀，断裂于光杆处，断口表面附着有褐色垢物，如图1d、e所示。

2.2 化学成分分析

对样品进行的光谱分析结果见表1，1#～4#螺栓的C、Mn 含量均高于ASTM A193/A193M—17对B8 级材料规定的上限，Cr、Ni 含量均低于ASTM 193A/193M—17 对B8 级材料规定的下限，表明螺栓材料不符合要求。

2.3 硬度测定

在螺栓末端进行维氏硬度测定，测定1/2 半径与轴心部位的硬度值，1#螺栓维氏硬度高于2#、3#和4#螺栓，具体结果见表2。

图1 螺栓形貌

表1 螺栓化学成分 wt%

表2 维氏硬度（HV）

2.4 金相组织分析

从1#、3#、4#螺栓截取金相试样，并且分别命名为JX1、JX2、JX3、JX4，具体的取样位置如图2所示。

图2 金相样品取样位置

JX1 为1#螺栓径向截面样品，组织形貌如图3 所示。由图3 可看出，JX1 样品组织为奥氏体，晶粒内部产生了大量的相互平行和交叉的黑色线条，黑色线条终止于晶界；螺栓光杆部位的近外壁区存在由外表面向心部扩展的裂纹，裂纹无分支，深度约448μm。

图3 JX1径向截面组织形貌

JX2 为3#螺栓的径向截面样品，组织形貌如图4 所示。由图4 可看出，JX2 样品组织为奥氏体，晶粒中存在大量的黑色线条，外壁存在一条微裂纹。

图4 JX2 径向截面组织形貌

JX3 为4#螺栓断口附近径向截面样品，组织形貌如图5 所示。由图5 可看出，JX3 样品组织为奥氏体，整个截面存在黑色线条，有3 条由螺栓表面向心部扩展的裂纹。

图5 JX3 径向截面组织形貌

JX4 为4#螺栓轴向截面样品，组织形貌如图6 所示。由图6 可看出，JX4 样品组织晶粒中存在黑色线条，螺纹牙底和牙顶晶粒均已发生变形。

2.5 断口形貌与能谱分析

2.5.1 断口形貌分析

发生断裂的3#、4#螺栓样品的断口宏观形貌如图7 所示。

图6 JX4 轴向截面金相组织

图7 3#、4#螺栓断口宏观形貌

3#螺栓原始断口形貌如图8a 所示，可见断口表面覆盖有大量的垢物；清洗后的断口形貌如图8b 所示，可见断裂以沿晶形式为主，断口整体呈应力腐蚀开裂的特征。 4#螺栓清洗后的断口形貌与3#螺栓的相近，如图9 所示。

2.5.2 断口能谱分析

用X 射线能谱仪对3#、4#螺栓断口表面的垢物进行分析，分析结果见表3，可见，3#、4#螺栓断口表面的垢物以氧化物为主（分别为25.15wt%、20.90wt%），并且伴有大量具有腐蚀性的S、Cl 元素及Na、Mg、K、Ca 等杂质元素。

图8 3#螺栓断口形貌

图9 4#螺栓清洗后断口形貌

表3 垢物样品能谱分析 wt%

3 分析结果

金相组织、断口形貌和腐蚀产物分析结果表明，3#和4#螺栓断裂性质为应力腐蚀开裂。螺栓属于Cr-Mn 系不锈钢，这类钢耐蚀性差；螺栓在安装过程中预紧力大于屈服强度，导致螺栓发生了塑性变形，组织中出现滑移线；螺栓在长时间运行过程中，周围环境中介质流到螺栓表面，介质中含有S、Cl 元素，对螺栓产生了腐蚀；螺栓光杆与六角头过渡部位存在应力集中现象，最终导致光杆与六角头过渡部位发生了硫化物和Cl-应力腐蚀开裂。