重整裝置液壓先導閥壓蓋螺栓斷裂原因分析

吳培毅 孫 濤 高 楠

（1. 中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516086；2. 沈陽中科韋爾腐蝕控制技術有限公司，遼寧 沈陽 110000）

0 引言

某石化公司催化重整裝置程控閥液壓先導閥的壓蓋螺栓發生了斷裂。為查明斷裂的原因，對其進行了腐蝕失效分析，以便采取相應的措施。

參數如下：液壓先導閥的設計溫度：40℃，設計壓力：8.0MPa；操作溫度：38℃，操作壓力：4.6MPa。閥內介質：32#液壓油；閥外介質：空氣。

壓蓋螺栓為TUZ 12.9級美制細牙內六角杯頭螺栓；螺栓材質為35CrMoA鋼。

1 失效分析

1.1 螺栓的宏觀、低倍分析

液壓先導閥壓蓋螺栓斷口處沒有明顯的塑性變形，為脆性斷裂；裂紋起源于螺栓螺紋的根部，裂紋由螺栓外部向內擴展，在螺栓一側的邊緣處完全斷裂，瞬斷區形成了45°的剪切唇；螺栓的斷口上有一定程度銹蝕，螺栓斷口的裂紋源區銹蝕更為嚴重，如圖1所示。

圖1 壓蓋螺栓的宏觀形貌及螺栓的低倍形貌

1.2 材質分析

從螺栓上切取塊狀樣品，依據相關標準，使用光譜儀等對螺栓的材質進行化學成分分析。結果表明螺栓的材質成分符合35CrMoA鋼的標準要求，如表1所示。

表1 螺栓材質的化學成分（wt%）

1.3 金相檢驗

在螺栓上切取金相樣品，經預磨、拋光、腐刻后，在顯微鏡下觀察分析，并使用顯微硬度計對螺栓的硬度進行檢測。

螺栓的硬度：HV434.1（432.0，435.6，434.7），接近于HRC44.7（HV436）。

螺栓裂紋起源于螺栓中部的螺紋根部，裂紋由外向內擴展；裂紋擴展區的螺栓斷口有小的凸凹起伏；螺栓斷口的最后瞬斷區在螺栓的邊緣處，并與螺栓的軸線成45°的夾角（剪切唇）如圖2所示；螺栓的金相組織為回火托氏體[1]。

圖2 螺栓的縱向金相組織（斷口處-裂紋源區）

金相分析和硬度測試的結果表明，斷裂螺栓的金相組織是回火托氏體。斷裂螺栓的裂紋起始位置是由裂紋源區、裂紋擴展區、瞬斷區組成；螺栓斷口處沒有明顯地塑性變形，為脆性斷裂（如圖3所示），具有應力腐蝕和氫脆斷裂的特征。

圖3 螺栓的縱向金相組織（斷口處-瞬斷區）

1.4 電鏡及能譜分析

使用掃描電鏡，斷口的裂紋起源于螺紋根部，裂紋由外向內沿晶擴展；螺栓斷口的裂紋源區有腐蝕產物覆蓋；能譜分析表明，斷口裂紋源區有O、Na、S、Cl、K、Ca、Fe等元素（如圖4所示）。

圖4 螺栓斷口的BEM+EDS（裂紋源區）

2 綜合分析

通過壓蓋螺栓進行了多項理化分析，認為造成壓蓋螺栓斷裂的主要因素是氫脆。

金屬材料因受到氫的作用而引起的脆性斷裂，統稱為氫脆或氫致開裂。氫脆對螺栓類緊固件的危害是致命的，是螺栓失效的主要形式之一[2-5]。影響螺栓氫脆的因素較多，包括氫含量、工藝過程、材料強度、應力狀態等。通常，金屬材料中氫含量越高，氫脆的敏感性越高，對于超高強度鋼的螺栓，要求氫含量小于1ppm。

螺栓在服役時，環境介質的腐蝕作用，也可以造成氫的滲入。對螺栓斷口的電鏡能譜分析，檢測到在螺栓斷口上，尤其是斷口的裂紋源區，有腐蝕性元素O、S、Cl等的富集。因此，不能排除螺栓內部的氫是由外部環境介質對其腐蝕后，而進入的可能性。

材料強度越高，氫脆發生的臨界應力就越低，孕育期越短，氫脆越敏感。還有，螺栓實際應力水平越高，特別是應力集中越嚴重，孕育期越短，氫脆越敏感。壓蓋螺栓是高強度螺栓，為12.9級，硬度接近HRC45，對氫脆的發生是十分敏感的。而且，螺栓的螺紋根部和螺栓頭與螺桿交界的臺階處都是螺栓上嚴重應力集中的部位，是易于裂紋的萌生和起源處。

因此，認為壓蓋螺栓的斷裂過程為：螺栓在緊固液壓先導閥的閥蓋時，會受到一定的拉應力及振動應力的作用，螺栓中的氫原子會向應力集中的部位聚集，而螺栓的螺紋根部和螺栓頭與螺桿交界的臺階處正是應力集中的高危區域，該位置經過一段時間的孕育，氫濃度達到臨界值時，在應力和氫原子的共同作用下，螺栓首先在這些氫脆敏感處開裂，這時缺口尖端強度因子雖高，但局部氫濃度減低，隨即氫原子又向該高應力區聚集，又經過一段時間的孕育后，在裂紋尖端再次出現臨界狀態，于是發生二次開裂。隨著氫脆裂紋的持續擴展，當螺栓的實際承載面積小于理論要求的承載面積時，螺栓就發生最后的斷裂（瞬斷）。正好解釋了，為什么壓蓋螺栓斷口的裂紋源區和裂紋擴展區是沿晶脆斷的，而壓蓋螺栓斷口的瞬斷區卻是由大量韌窩構成的。

3 結論及建議

3.1 結論

（1）壓蓋螺栓的材質為35CrMoA鋼；

（2）壓蓋螺栓的金相組織為回火托氏體；壓蓋螺栓的硬度為HV428.6～434.1，相當于HRC44.1～44.7；

（3）壓蓋螺栓的斷裂失效性質為氫脆；

（4）發生氫脆的原因與螺栓本身硬度較高，加工或服役過程中提供了氫侵入的環境條件，即本身的受力狀態、服役環境、自身強度、氫含量等對螺栓氫脆斷裂的發生和發展產生了重要的影響。

3.2 建議

（1）螺栓在生產加工過程中，如有酸洗、磷化、電鍍等工序，要及時地進行工序后的除氫處理；

（2）螺栓在服役過程中，要對螺栓周圍進行保潔清理，減少螺栓與外部環境中腐蝕性介質的接觸；

（3）在保證螺栓緊固作用的前提下，降低螺栓的強度，減少螺栓的氫脆敏感性。