高強度鋁合金閥門螺母破裂原因分析

謝 飛，夏志偉

（蘇州華碧微科檢測技術有限公司，江蘇 蘇州215024）

1 引言

某組合式工業氧氣瓶組使用的集氣管道在使用一年多時間后，焊接在管道端部的高強度鋁合金閥門螺母在更換氧氣瓶組時發生破裂。經了解，該氧氣瓶組由20罐氧氣瓶組成，由1根焊接了20個接口的合金集氣管，通過一端的閥門集中充放氣。

應力腐蝕破裂是指金屬材料或構件在張應力和腐蝕介質共同作用下發生的失效現象[1]。它常出現于鍋爐用的金屬、黃銅、高強度鋁合金中。一般在拉伸應力作用下才能引起應力腐蝕開裂。這種拉應力可以是外加載荷造成的應力，也可以是各種殘余應力，如焊接殘余應力，熱處理殘余應力和裝配應力等。產生應力腐蝕的環境總是存在特定腐蝕介質，這種腐蝕介質一般都很弱，如果沒有拉應力的同時作用，材料在這種介質中腐蝕速度很慢，產生應力腐蝕的介質一般都是特定的，如黃銅在氨氣氛中，高強度鋁合金在具有氯離子的腐蝕介質中容易發生應力腐蝕。

2 檢驗過程與結果

2.1 宏觀檢查

圖1 管道閥門及配套破裂螺母

圖2 管道閥門螺紋缺失

對閥門接口的螺紋及破裂的配套合金螺母進行宏觀檢查，見圖1。閥門接口螺紋起始段存在螺紋缺失，見圖2；高強度鋁合金螺母管壁外張變形呈喇叭狀，螺母表面存在4條縱向貫穿螺母管壁的裂紋，見圖3；螺母外側于裂紋端部可見細小裂紋，呈不規則擴展，見圖4。螺母縱向貫穿裂紋的內螺紋位置存在嚴重磨損，并沿螺紋環向擴展，見圖5、圖6。

圖3 螺母破裂時外觀照

圖4 破裂螺母外側裂紋端部

圖5 破裂螺母內側螺紋缺失

圖6 破裂螺母內側裂紋環向擴展

2.2 顯微組織觀察及分析

對高強度鋁合金螺母進行橫向顯微組織觀察，由圖7可知，高強度鋁合金閥門螺母的橫向顯微組織為奧氏體組織，組織較均勻，伴生孿晶，擴展裂紋周圍存在腐蝕坑，裂紋沿晶界擴展，為典型的沿晶斷裂。

圖7 耐腐防滲層傅里葉紅外分析圖譜

2.3 斷口觀察及能譜成分分析

圖8 螺母斷口宏觀照片

圖9 螺母裂紋斷面附近螺紋宏觀照片

圖10 螺母斷口能譜分析照片

將高強度鋁合金螺母的縱向裂紋打開，斷口經超聲波清洗處理后進行斷口形貌觀察。宏觀下可見裂紋斷口及內螺紋缺失位置均存在氧化變色，且靠近內螺紋缺失位置的斷口氧化顏色更深，見圖8、圖9；微觀下裂紋斷口位置的晶粒輪廓明顯，呈“冰糖塊”，屬于典型的沿晶斷口[2]。局部位置存在氧化產物，對其進行能譜成分分析，主要成分除了金屬自身成分外還含有氧（O）、氯（Cl）、鋅（Zn）、鎂（Mg）、鉀（K）、鈣（Ca）等元素，見圖10。

2.4 成分分析

采用全譜直讀光譜儀對高強度鋁合金閥門螺母進行化學成分檢測，檢測結果見表1。

表1 螺母化學成分檢測結果（%）

由上表可知，高強度鋁合金閥門螺母的化學成分雖然個別元素不能滿足GB/T 20878-2007《不銹鋼和耐熱鋼 牌號及化學成分》中所列的某些金屬材料牌號（如S35350、S35950）要求，但是仍屬于奧氏體范疇。

3 結果分析

本文中的高強度鋁合金螺母為奧氏體金屬材料，螺母內螺紋位置存在螺紋磨損、缺失，六角螺母的四個面均出現縱向貫穿裂紋，說明在螺母發生破裂前涉案螺母內螺紋與閥門螺紋已經發生了異常磨損，造成螺母內螺紋缺失、表面不平整等缺陷；其顯微組織為奧氏體組織，組織均勻；主裂紋屬于沿晶裂紋，裂紋附近的晶界位置存在腐蝕點坑，結合斷口的能譜分析結果可知，除了材料自身所含元素，斷口位置還含有較高的氧元素和少量的腐蝕性氯元素，分析認為，螺母是從螺紋缺陷位置受到腐蝕及外應力共同作用發生應力腐蝕[3]。

本文中高強度鋁合金螺母作為緊固件材料，其內螺紋位置會持續受自身鎖緊力或外部擰緊力作用，屬于應力集中最大處，在管道輸送氧氣及工況環境介質的共同作用下發生應力腐蝕，會持續降低緊固件材料的強度。該工業氧氣瓶組作為循環充氣使用的產品，若其螺母內螺紋位置的初始裂紋不能及時被檢出，最終會使得螺母發生破裂。

綜上分析可知，涉案螺母由于與閥門存在異常磨損，導致內螺紋缺失，出現表面缺陷，同時螺紋缺陷處作為材料的應力集中最大處，并在工況使用環境介質的共同作用下發生應力腐蝕，最終導致高強度鋁合金螺母發生破裂。

4 結論及建議

(1)本文中高強度鋁螺母緊固件由于內螺紋的磨損缺失出現表面缺陷，在工況環境介質作用下于表面缺陷處發生應力腐蝕，最終導致合金螺母破裂。

(2)采用抗磨損及抗應力腐蝕性能更加優越的材料制造螺母。

(3)工業生產過程中，應定期對氣瓶閥門及管道接口緊固件進行檢驗，避免氣瓶閥門及管道接口出現破損缺失，同時應查明氯的來源，避免氯接觸到管道材料發生應力腐蝕。