某閥門螺栓斷裂失效分析

夏明磊* 羅 懿

（中海油（天津）管道工程技術有限公司）

0 引言

某氣田生產分離器用閥門運行了一段時間后發生斷裂失效。該閥門共有4 對螺栓螺母，其中2 根螺栓在螺栓頭處發生斷裂，螺桿基本無變形；1 根螺栓在螺紋處發生斷裂且螺桿發生彎曲變形；1 根螺栓未斷裂，但螺桿發生明顯的彎曲變形。閥門操作壓力為6.895×103kPa，操作溫度為90°F，介質為天然氣。閥門材質為316 不銹鋼，尺寸為DN25 mm。失效閥門實物如圖1 所示。

圖1 失效閥門實物

1 宏觀分析

根據失效閥門的變形量大小將4 根螺栓依次編號為1#～4#，如圖2 所示。其中，1#螺栓基本無形變，在螺栓頭根部發生斷裂；2#螺栓有輕微形變，且螺栓頭根部發生斷裂；3#螺栓螺桿中部軸向有一處彎曲變形，且螺紋處發生斷裂；4#螺栓兩端軸向各有一處彎曲變形，未發生斷裂。

圖2 4組失效螺栓宏觀形貌對比圖

圖3 a）和圖3 b）分別為1#螺栓的宏觀整體形貌及斷口形貌圖。其斷裂位置位于腐蝕嚴重的螺栓頭根部，斷口呈現出了特征明顯的三個區域：其中Ⅰ區斷口平整，腐蝕嚴重，為裂紋源區；Ⅱ區表面腐蝕輕微，部分區域有金屬光澤，為擴展區；Ⅲ區呈杯狀形貌，為瞬斷區。裂紋在源區起裂，在拉應力作用下向兩側及中心擴展，在擴展過程中形成了解理臺階并繼續擴展，最終在外力作用下瞬斷，形成杯狀斷口。

圖3 1#螺栓宏觀形貌圖

圖4 a）和圖4 b）分別為2#螺栓的宏觀整體形貌及斷口形貌圖。其斷裂位置位于腐蝕較嚴重的螺栓頭根部。另一端螺紋部分腐蝕不嚴重，螺桿部分則有輕微腐蝕。該斷口為杯狀斷口，裂紋源區位于螺桿中心區域，且腐蝕明顯。周圍腐蝕輕微的區域為擴展區，杯狀斷口的邊緣為剪切唇。螺栓頭及其附近的螺桿部分表面可見腐蝕產物層，而裂紋源處表面發暗，腐蝕產物層并不明顯。

圖4 2#螺栓宏觀形貌圖

圖5 a）和圖5 b）分別為3#螺栓的宏觀整體形貌及斷口形貌圖。由圖5 可知，3#螺栓產生了較大的塑性變形。螺紋部分有腐蝕跡象，螺桿部分有兩處輕微腐蝕，而螺栓頭部分未發生腐蝕。斷裂發生于腐蝕嚴重的螺紋處，該處即為裂紋源。周圍半金屬光澤區為擴展區。在擴展區可以明顯觀察到與螺桿橫斷面呈一定斜度的紋路，表明該斷口是在拉應力和切應力同時作用下形成的。此外，3#螺栓斷口沒有剪切唇，也沒有出現“頸縮”現象，這說明螺栓是在快速的沖擊力作用下發生了脆性斷裂[1]。

圖5 3#螺栓宏觀形貌圖

圖6 為4#螺栓的宏觀整體形貌。由圖6 可知，4#螺栓未斷裂，且沒有明顯腐蝕現象，但其形變量為4 個螺栓中最大。

圖6 4#螺栓宏觀形貌圖

2 微觀形貌及能譜分析

按照GB/T 16545—2015《金屬和合金的腐蝕 腐蝕試樣上腐蝕產物的清除》標準中的化學法對斷口進行清洗，采用EVO 18 掃描電子顯微鏡（SEM）和OXFORD X-MaxN 型能譜儀（EDS）分別觀察1#～4#螺栓的微觀形貌，并進行微區成分分析。

圖7 a）為1#螺栓裂紋源附近放大20 倍的微觀形貌。由圖7 可見，斷口表面有殘留的腐蝕產物以及裂紋在擴展過程中形成的臺階。微區成分檢測結果表明Cl元素質量分數為4.6%，且含有一定量的S。圖7 b）為1#螺栓裂紋源區放大1 000 倍的微觀形貌。其表面存在龜裂裂紋，是應力腐蝕的典型特征[2-3]。圖7 c）為1#螺栓裂紋擴展區放大1 000 倍的微觀形貌，由圖7 可見明顯的臺階和和河流狀花樣[4]。

圖7 1#螺栓微觀形貌

圖8 分別為2#螺栓的裂紋源區在20 倍、200 倍、800 倍的放大倍數下的微觀形貌。由圖8 a）可知，裂紋源位于斷口中心處，且發生了明顯的分層。圖8 b）中可見3 層呈臺階狀逐層覆蓋的區域，并向上微微拱起，在交匯處形成空穴，空穴處未發現夾雜物。由圖8 c）可見典型的臺階和河流花樣，為解理特征。

圖8 2#螺栓裂紋源區形貌

3 化學成分分析

由于受到失效件形狀的限制，因此采用Spectro xsort 手持式X 射線熒光分析儀分別檢測1#～4#螺栓的化學成分。光管電壓為25 KeV，光管電流為150 μA，測量時間為10 s，化學成分檢測結果可見表1。結果表明，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》標準上限，且Mo 元素遠低于標準要求。因此，螺栓的材質不符合ASTM 標準對316 不銹鋼的要求。

表1 失效件化學成分分析結果（質量分數） %

4 X射線衍射（XRD）分析

在腐蝕嚴重的部位刮取腐蝕產物，依次用石油醚、酒精清洗腐蝕產物并烘干、研磨。采用D/max-rA 型X 射線衍射儀對試樣進行XRD 分析，掃描角度2θ為3° ～80°，采樣步寬為0.02，波長為1.5 405 6 nm。測試結果如圖9 所示。結果表明：腐蝕產物的主要成分為Fe8（O，OH）16Cl1.3，結合EDS 結果進行分析，可以推測服役環境中含有Cl 元素。

圖9 XRD結果及標準卡片比對圖

5 分析與討論

一般情況下，首斷件的塑性變形通常最小，而與其相關聯的部件塑性變形較明顯。從宏觀分析可知，1#螺栓變形量最小，應為首斷件。4#螺栓在2#螺栓、3#螺栓斷裂后失去了約束，在閥內高壓氣體沖擊作用下承受巨大扭矩而使螺桿兩端發生彎曲變形。失效螺栓的Mo 元素遠遠低于標準對316 不銹鋼的要求。由于Mo 元素含量低，大大降低了耐海洋大氣腐蝕能力和耐Cl 離子腐蝕能力，因此在有Cl 離子存在的環境下，316 不銹鋼的腐蝕速度要大于碳鋼的腐蝕速度。海洋大氣環境為高含鹽環境，加上海洋大氣環境相對潮濕，墊片與螺栓或螺母與螺栓之間運動可能導致鈍化膜發生磨損，在含氯離子環境中發生局部點蝕，形成裂紋源，誘發材料腐蝕[5]。失效螺栓所處服役環境的春、夏季空氣濕度大且露點溫度較高，因此當環境溫度變化大時，閥門上容易形成凝結水。凝結水在底部螺栓頭和螺紋處聚集，優先發生腐蝕[6]。由于螺栓是緊固件，當閥體內充滿高壓介質時，其承受拉應力的作用。在應力和腐蝕環境共同作用下，1#螺栓先發生失效，失效后閥內介質泄漏，閥體失穩，腐蝕較嚴重的2#螺栓在微量泄漏氣體的沖擊下發生失效，待2#螺栓失效后，泄漏量突增，閥內高壓介質沖擊閥蓋，導致3#、4#螺栓失效。

6 結論

（1）閥門失效是由于螺栓材質不合格引起的，其化學成分不符合ASTM 標準中對316 不銹鋼的要求。

（2）失效的閥門耐海洋大氣腐蝕和耐氯離子腐蝕能力差，且閥門未進行刷漆防護，由于長期暴露在海洋大氣環境中發生了應力腐蝕，最終導致閥門失效。

（3）建議對閥門采取腐蝕防護措施，定期打磨、除銹刷漆，減緩海洋大氣腐蝕造成失效的速率。同時對閥門的材質做進場檢驗，避免由于材質不合格而引發失效。