某阀门螺栓断裂失效分析

夏明磊* 罗 懿

（中海油（天津）管道工程技术有限公司）

0 引言

某气田生产分离器用阀门运行了一段时间后发生断裂失效。该阀门共有4 对螺栓螺母，其中2 根螺栓在螺栓头处发生断裂，螺杆基本无变形；1 根螺栓在螺纹处发生断裂且螺杆发生弯曲变形；1 根螺栓未断裂，但螺杆发生明显的弯曲变形。阀门操作压力为6.895×103kPa，操作温度为90°F，介质为天然气。阀门材质为316 不锈钢，尺寸为DN25 mm。失效阀门实物如图1 所示。

图1 失效阀门实物

1 宏观分析

根据失效阀门的变形量大小将4 根螺栓依次编号为1#～4#，如图2 所示。其中，1#螺栓基本无形变，在螺栓头根部发生断裂；2#螺栓有轻微形变，且螺栓头根部发生断裂；3#螺栓螺杆中部轴向有一处弯曲变形，且螺纹处发生断裂；4#螺栓两端轴向各有一处弯曲变形，未发生断裂。

图2 4组失效螺栓宏观形貌对比图

图3 a）和图3 b）分别为1#螺栓的宏观整体形貌及断口形貌图。其断裂位置位于腐蚀严重的螺栓头根部，断口呈现出了特征明显的三个区域：其中Ⅰ区断口平整，腐蚀严重，为裂纹源区；Ⅱ区表面腐蚀轻微，部分区域有金属光泽，为扩展区；Ⅲ区呈杯状形貌，为瞬断区。裂纹在源区起裂，在拉应力作用下向两侧及中心扩展，在扩展过程中形成了解理台阶并继续扩展，最终在外力作用下瞬断，形成杯状断口。

图3 1#螺栓宏观形貌图

图4 a）和图4 b）分别为2#螺栓的宏观整体形貌及断口形貌图。其断裂位置位于腐蚀较严重的螺栓头根部。另一端螺纹部分腐蚀不严重，螺杆部分则有轻微腐蚀。该断口为杯状断口，裂纹源区位于螺杆中心区域，且腐蚀明显。周围腐蚀轻微的区域为扩展区，杯状断口的边缘为剪切唇。螺栓头及其附近的螺杆部分表面可见腐蚀产物层，而裂纹源处表面发暗，腐蚀产物层并不明显。

图4 2#螺栓宏观形貌图

图5 a）和图5 b）分别为3#螺栓的宏观整体形貌及断口形貌图。由图5 可知，3#螺栓产生了较大的塑性变形。螺纹部分有腐蚀迹象，螺杆部分有两处轻微腐蚀，而螺栓头部分未发生腐蚀。断裂发生于腐蚀严重的螺纹处，该处即为裂纹源。周围半金属光泽区为扩展区。在扩展区可以明显观察到与螺杆横断面呈一定斜度的纹路，表明该断口是在拉应力和切应力同时作用下形成的。此外，3#螺栓断口没有剪切唇，也没有出现“颈缩”现象，这说明螺栓是在快速的冲击力作用下发生了脆性断裂[1]。

图5 3#螺栓宏观形貌图

图6 为4#螺栓的宏观整体形貌。由图6 可知，4#螺栓未断裂，且没有明显腐蚀现象，但其形变量为4 个螺栓中最大。

图6 4#螺栓宏观形貌图

2 微观形貌及能谱分析

按照GB/T 16545—2015《金属和合金的腐蚀 腐蚀试样上腐蚀产物的清除》标准中的化学法对断口进行清洗，采用EVO 18 扫描电子显微镜（SEM）和OXFORD X-MaxN 型能谱仪（EDS）分别观察1#～4#螺栓的微观形貌，并进行微区成分分析。

图7 a）为1#螺栓裂纹源附近放大20 倍的微观形貌。由图7 可见，断口表面有残留的腐蚀产物以及裂纹在扩展过程中形成的台阶。微区成分检测结果表明Cl元素质量分数为4.6%，且含有一定量的S。图7 b）为1#螺栓裂纹源区放大1 000 倍的微观形貌。其表面存在龟裂裂纹，是应力腐蚀的典型特征[2-3]。图7 c）为1#螺栓裂纹扩展区放大1 000 倍的微观形貌，由图7 可见明显的台阶和和河流状花样[4]。

图7 1#螺栓微观形貌

图8 分别为2#螺栓的裂纹源区在20 倍、200 倍、800 倍的放大倍数下的微观形貌。由图8 a）可知，裂纹源位于断口中心处，且发生了明显的分层。图8 b）中可见3 层呈台阶状逐层覆盖的区域，并向上微微拱起，在交汇处形成空穴，空穴处未发现夹杂物。由图8 c）可见典型的台阶和河流花样，为解理特征。

图8 2#螺栓裂纹源区形貌

3 化学成分分析

由于受到失效件形状的限制，因此采用Spectro xsort 手持式X 射线荧光分析仪分别检测1#～4#螺栓的化学成分。光管电压为25 KeV，光管电流为150 μA，测量时间为10 s，化学成分检测结果可见表1。结果表明，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》标准上限，且Mo 元素远低于标准要求。因此，螺栓的材质不符合ASTM 标准对316 不锈钢的要求。

表1 失效件化学成分分析结果（质量分数） %

4 X射线衍射（XRD）分析

在腐蚀严重的部位刮取腐蚀产物，依次用石油醚、酒精清洗腐蚀产物并烘干、研磨。采用D/max-rA 型X 射线衍射仪对试样进行XRD 分析，扫描角度2θ为3° ～80°，采样步宽为0.02，波长为1.5 405 6 nm。测试结果如图9 所示。结果表明：腐蚀产物的主要成分为Fe8（O，OH）16Cl1.3，结合EDS 结果进行分析，可以推测服役环境中含有Cl 元素。

图9 XRD结果及标准卡片比对图

5 分析与讨论

一般情况下，首断件的塑性变形通常最小，而与其相关联的部件塑性变形较明显。从宏观分析可知，1#螺栓变形量最小，应为首断件。4#螺栓在2#螺栓、3#螺栓断裂后失去了约束，在阀内高压气体冲击作用下承受巨大扭矩而使螺杆两端发生弯曲变形。失效螺栓的Mo 元素远远低于标准对316 不锈钢的要求。由于Mo 元素含量低，大大降低了耐海洋大气腐蚀能力和耐Cl 离子腐蚀能力，因此在有Cl 离子存在的环境下，316 不锈钢的腐蚀速度要大于碳钢的腐蚀速度。海洋大气环境为高含盐环境，加上海洋大气环境相对潮湿，垫片与螺栓或螺母与螺栓之间运动可能导致钝化膜发生磨损，在含氯离子环境中发生局部点蚀，形成裂纹源，诱发材料腐蚀[5]。失效螺栓所处服役环境的春、夏季空气湿度大且露点温度较高，因此当环境温度变化大时，阀门上容易形成凝结水。凝结水在底部螺栓头和螺纹处聚集，优先发生腐蚀[6]。由于螺栓是紧固件，当阀体内充满高压介质时，其承受拉应力的作用。在应力和腐蚀环境共同作用下，1#螺栓先发生失效，失效后阀内介质泄漏，阀体失稳，腐蚀较严重的2#螺栓在微量泄漏气体的冲击下发生失效，待2#螺栓失效后，泄漏量突增，阀内高压介质冲击阀盖，导致3#、4#螺栓失效。

6 结论

（1）阀门失效是由于螺栓材质不合格引起的，其化学成分不符合ASTM 标准中对316 不锈钢的要求。

（2）失效的阀门耐海洋大气腐蚀和耐氯离子腐蚀能力差，且阀门未进行刷漆防护，由于长期暴露在海洋大气环境中发生了应力腐蚀，最终导致阀门失效。

（3）建议对阀门采取腐蚀防护措施，定期打磨、除锈刷漆，减缓海洋大气腐蚀造成失效的速率。同时对阀门的材质做进场检验，避免由于材质不合格而引发失效。