某閥門蓋不銹鋼螺栓失效分析

李 瑋 倪紅芳

（上海市特種設備監督檢驗技術研究院） （上海利策科技股份有限公司）

0 背景介紹

某石化公司工藝管線發生火災爆炸事故，事后針對事故中失效的閥門法蘭連接螺栓進行了分析。事故現場調查發現：多條管線爆破斷裂，管線中一個閥門的閥門蓋迸出，事故閥門蓋所有螺栓材料均為304不銹鋼。該閥門公稱直徑為DN150，閥體與閥桿連接法蘭的螺栓全部斷裂，閥芯和閥桿迸出，閥門蓋丟失，閥體與閥桿的連接螺栓規格為M27 mm×170 mm。該失效閥門如圖1所示。

閥門蓋從南向北斜向上飛出并撞擊到平臺后落下，與平臺撞擊時留下一個月牙形的穿透孔洞，這說明法蘭連接螺栓不是同時斷裂的，而是南側的幾根先斷裂，管道內的超臨界乙烯瞬時噴出后導致北側的螺栓斷裂，但這個過程應該是在瞬時完成的。現場找到的一些斷裂螺栓基本屬于脆性開裂，這對奧氏體不銹鋼來講是非正常斷裂，需要對其斷裂原因進行分析。

圖1 失效的閥門

1 宏觀形貌分析

該事故閥門其閥體與閥桿連接處的法蘭螺栓共12根。閥桿飛出時，12根螺栓全部斷裂，現場應該有24段半截螺栓，但僅找到14段。這些螺栓經過清洗后，呈現不同的光澤亮度，有的螺栓色澤很光亮，接近于新螺栓的光澤；有的螺栓比較暗淡，說明這些螺栓在事故現場被火焰灼燒過。部分清洗后的斷裂螺栓如圖2所示。

圖2 部分清洗后的斷裂螺栓形貌

2 化學成分分析

對失效的螺栓取樣，進行化學成分分析，得到的結果如表1所示。表1中還列出了ASTM A320標準中與該螺栓材料 （304）相同的材料的標準化學成分來做對比。

表1 螺栓材料化學成分及其與標準對比

根據檢測結果可知，螺栓材料的碳 （C）含量偏高，超過了ASTM標準中的要求，而鉻 （Cr）含量低于標準要求。

3 力學性能測試

3.1 常溫拉伸試驗

按照國標GB/T 2975—1998《鋼及鋼產品力學性能試樣取樣位置及試樣制備》對失效螺栓進行取樣。按照GB/T 228—2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》對試樣進行常溫拉伸試驗，試驗溫度為25～26℃。試樣尺寸為?5 mm，標距為25 mm，平行段長度為30 mm，夾持端螺紋為M8，如圖3所示。

圖3 試樣尺寸

試驗采用美國Instron 8800拉伸試驗機。2%應變前，加載速率為1 mm/min；2%應變后，加載速率為1.5 mm/min。螺栓的拉伸性能如表2所示，表2中同時還列出了ASTM A320標準中與該螺栓相同材料的標準拉伸性能來做對比。

表2 螺栓試樣拉伸性能及其與標準對比

從拉伸試驗結果可以看出，該304不銹鋼的屈服強度達到500 MPa左右，抗拉強度達到800 MPa左右。螺栓強度如此高，這說明螺栓經過形變強化處理，即螺栓的加工形式為冷拔加工。

拉斷后的螺栓試樣如圖4所示，均呈明顯的伸長和頸縮現象，說明螺栓的塑性較好。

圖4 常溫拉伸斷后試樣實物圖

3.2 硬度測試

按照GB/T 231.1—2009《金屬材料 布氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》對失效螺栓進行硬度檢測，得到的螺栓硬度值如表3所示。表3中同時還列出了ASTM A320標準中與該螺栓相同材料的標準硬度值來做對比。從表3中數據可以看出，螺栓的硬度符合規定要求。

表3 螺栓硬度值及其與標準對比

4 金相分析

對失效螺栓按金相分析要求進行取樣，取樣位置如圖5所示，沿軸向剖面觀察試樣的顯微組織。

圖5 金相分析取樣位置

圖6為螺栓金相組織圖，其晶粒度等級為13級。其中圖6（a）為失效螺栓在有裂紋處的金相組織，可以看出裂紋為沿晶開裂；由圖6（b）可以看出在晶界處有碳化物析出。

圖6 螺栓剖面金相組織

從金相上可以看出，該螺栓為拔制加工，沿拔制方向顯微組織被拉長；另外，還有針狀及板條狀馬氏體，這也是冷拔過程形成的。晶界上分布大量碳化物。除主裂紋外，還有很多微裂紋，這些微裂紋也是沿晶開裂的，裂紋尖端有些分叉。

對失效螺栓的斷口進行能譜掃描分析 （EDS），檢測其中Cl元素的含量，結果如表4所示。

表4 螺栓斷口元素含量（%）

從螺栓的金相圖中可以看到，在晶界處有許多碳化物析出。為了確認晶界處析出碳化物的真實性，對圖2中13號螺栓斷口晶界處析出的碳化物做了EDS分析，分析結果如表5所示，析出物粒子中主要成分是Cr元素，即粒子是Cr的碳化物。

5 斷口掃描電鏡分析

圖7為圖2中13號螺栓原始斷口形貌圖，由圖7可見斷口具有明顯的巖石狀沿晶斷裂的特征。

對13號螺栓斷口進行了EDS掃描，檢測其中Cl元素的含量，結果如表6所示。

表5 螺栓斷口表面析出碳化物EDS分析

圖7 螺栓原始斷口形貌

表6 螺栓斷口Cl含量EDS分析

圖8為常溫拉伸試樣的斷口形貌圖，斷口有明顯的韌窩，屬于韌性斷裂。

圖8 常溫拉伸試樣斷口形貌

6 晶間腐蝕試驗

沿螺栓剖面取樣進行晶間腐蝕試驗，試驗嚴格按照GB/T 4334—2008《金屬和合金的腐蝕 不銹鋼晶間腐蝕試驗方法》中的方法E（不銹鋼硫酸-硫酸銅腐蝕試驗方法）進行，試驗結果如圖 9所示。結果表明，該螺栓材料具有明顯的晶間腐蝕傾向。

圖9 晶間腐蝕試驗結果

7 分析與討論

本案例中螺栓的斷裂為典型的晶間應力腐蝕開裂，且為脆性開裂特征。開裂的組織原因為材料固溶處理不當，奧氏體晶界上析出大量的碳化物，導致晶界附近貧鉻；開裂的環境因素是沿海大氣環境中具有氯離子、氧等腐蝕介質；螺栓受到較大的拉應力和扭矩是導致螺栓應力腐蝕開裂的力學因素。

應力腐蝕開裂是一種力學-環境破壞過程。材料在持久的拉伸應力和腐蝕介質共同作用下發生的脆性開裂破壞現象稱為應力腐蝕開裂 （stress corrosion cracking，SCC）。應力腐蝕是電化學腐蝕和機械應力破壞互相促進裂紋生成和擴展的過程。應力腐蝕開裂產生失效的時間比應力和腐蝕單獨作用或者二者簡單疊加所需要的時間短。

敏感的合金、特定的介質和一定的靜拉應力是發生應力腐蝕的三個必要條件。對于一定的材料，其應力腐蝕只在特定的介質中發生。這種材料與敏感介質的組合關系，稱為應力腐蝕體系。

本案例中螺栓發生應力腐蝕開裂的條件都具備： （1）螺栓預緊時受力過大，造成螺栓在內壓作用下承受很高的拉應力和扭轉應力； （2）304奧氏體不銹鋼和沿海大氣的Cl-環境。一般來講，沿海大氣中的Cl離子濃度不足以造成304不銹鋼的應力腐蝕開裂，但是本案例中的螺栓碳含量偏高，又未做固溶處理，造成了晶界大量碳化物析出，導致晶界貧Cr的情況發生，使材料的晶間腐蝕敏感性大大提高，在拉應力作用下就產生了沿晶的應力腐蝕開裂。

8 結論

本案例中對斷裂的法蘭連接螺栓進行了失效分析。通過測試和試驗表明，該螺栓碳含量超過了標準規定值，同時該螺栓未經過固溶處理 （或固溶處理不完善），導致了晶界大量碳化物析出，在沿海大氣環境中的Cl離子作用下產生了沿晶的應力腐蝕開裂。

應力腐蝕開裂是一種力學-環境破壞過程。開裂的環境因素是沿海大氣環境中的Cl離子、氧等腐蝕介質的存在；法蘭連接螺栓過大的拉應力則是誘發本次螺栓應力腐蝕開裂的力學因素。應力腐蝕開裂是個緩慢的過程，在閥門蓋飛出前大部分的螺栓已經斷裂，最后未斷裂部分不足以承擔閥門的內壓時便產生了瞬間斷裂。

此外，法蘭連接螺栓的預緊力過大與法蘭接頭密封失效也有著密切的關聯。