加氫裝置手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

某石化公司加氫裝置閥門壓蓋泄漏介質，切除后發現壓蓋螺栓斷裂。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。

工作環境為：設計溫度為280℃，設計壓力為8.8MPa；操作溫度為202℃，操作壓力為7.9MPa。內部介質含有一定量的硫化氫。斷裂螺栓長約3.8cm，直徑約11mm，螺紋長度約2.2cm。螺栓表面有輕微銹蝕，螺紋保持完好，螺帽光亮。斷裂部位位于光桿部位，呈斜面狀，表面凹凸不平。

1 失效分析

1.1 螺栓的宏觀、低倍分析

斷裂螺栓簡單清理后，進行表觀檢測及宏觀低倍顯微分析。螺栓表面覆蓋有一層褐色氧化物。表面凹凸不平，中間部位顏色偏深，為先斷裂區域。

采用緩蝕劑+HCl短暫清理表面氧化物后，觀察表面形貌（如圖1所示）所示。斷口部位表面凹凸不平，較低處呈現解理狀形貌。斷口未見明顯的機械損傷及塑性變形，也未見疲勞痕跡及明顯組織撕裂痕跡。放倍數較高時可以看到斷口處有微小不規則裂紋。

圖1 壓蓋螺栓的宏觀形貌及螺栓的斷口形貌

1.2 材質分析

從待檢樣品上切取塊狀樣品，對其材質進行化學分析。由分析結果對照表明，待檢試樣的材質成分符合305不銹鋼（1Cr18Ni12）的標準要求，如表1所示。

1.3 金相檢驗

將螺栓側面加工成金相試樣，封裝后，經預磨、拋光，蝕刻5s后在顯微鏡下觀察，分析其金相組織形貌。螺栓偏中心部位正常金相組織照片（如圖2所示）。中間部位正常金相組織為奧氏體組織，晶粒邊界清晰可見。靠近邊緣部位及斷裂部位晶粒邊緣有明顯缺陷，為碳化物在晶界部位偏析，存在明顯敏化傾向。沿晶粒邊界出現明顯裂紋，呈現明顯的沿晶開裂趨勢。

圖2 螺栓偏中心部位正常金相組織照片

螺栓斷口部位的金相組織照片（如圖3所示）。圖中斷口處凹凸不平，為晶粒脫落造成表面缺陷。靠近斷口處金相組織晶粒邊界清晰，個別區域明顯見到大量裂紋，均為沿晶開裂。根據相關標準，螺栓斷口處的金相組織敏化程度為三類-溝狀組織。

圖3 螺栓斷口部位金相組織照片

1.4 硬度檢測分析

對斷裂螺栓進行硬度檢測。載荷1kg，加載時間15s。該材料硬度值在HV1.0/15s接近300，屬于高硬度螺栓，其結果如表2所示。

表2 硬度測量結果

1.5 電鏡及能譜分析

使用將螺栓斷口部位簡單清理后，采用日本日立公司生產型號為S-4800Ⅱ型掃描電鏡對其形貌和能譜進行分析。其結果如下圖，能譜分析結果如表3所示。

表3 能譜測量結果

螺栓在掃描電鏡下50倍的顯微照片（如圖4所示）。圖4中斷裂面凹凸不平，個別區域顏色較深。邊緣部位有輕微撕裂痕跡。

圖4 螺栓斷口50倍的顯微照片

圖5 邊緣部位的形貌照片

下部邊緣部位（最低位置）的顯微照片。照片中斷口呈冰糖狀結構，晶粒大量脫離基體，為典型脆性斷裂形貌。從照片可以發現，大塊的晶粒之間有明顯的縫隙，對斷裂部位進行能譜檢查，未發現典型的Cl、S等腐蝕性介質元素見表3中對應的譜圖1～3數據。上部邊緣部位的顯微照片。與下部邊緣部位相似，均呈現解理狀形貌，有較多的二次裂紋和孔洞。大量晶粒晶界清晰，晶界邊緣縫隙較大，容易從基體脫落。

左側邊緣臺階狀部位的顯微照片（如圖6所示）。照片中晶粒明顯出現高低不平的臺階狀特征，為金屬大面積斷裂時的形貌。但未見明顯的韌窩及疲勞貝狀紋，能譜分析儀未檢測出腐蝕性元素見表3對應的譜圖4～5元素及含量。該處組織仍呈現冰糖狀解理形貌特征。

圖6 左側邊緣臺階狀部位形貌照片

斷口中心部位的顯微照片。斷口中心部位晶粒有輕微的受力拉伸痕跡，晶粒完整度較邊緣部位稍差，但仍能分辨出整個晶粒。能譜分析未檢測出腐蝕性元素見表3對應的譜圖6元素及含量。

2 分析與討論

2.1 工藝分析

現場閥門壓蓋螺栓工作環境為：設計溫度為280℃，設計壓力為8.8MPa；操作溫度為202℃，操作壓力為7.9MPa。內部介質含有一定量的硫化氫，但主要使用環境為露天使用，與空氣中接觸。該螺栓能接觸到的腐蝕介質主要包括大氣環境中的水蒸氣、游離的氯離子及少量大氣污染物等，有可能對螺栓的開裂起到加速作用。另外現場應用過程中管線滴、漏的介質等也可能會對螺栓污染。

根據斷口部位的能譜分析結果，斷裂部位未發現腐蝕性介質，如氯、硫等。螺栓表面有輕微銹蝕，不嚴重。螺帽光潔，螺紋保持完好，螺帽可以自由旋轉。因此，螺栓斷裂的主要原因與其使用環境關系不大。

螺栓的工作條件溫度接近300℃，操作壓力較大。在長期運行服役過程中，螺栓受到拉伸應力的長期作用，對材料的強度要求較高。而在維修檢驗過程中，螺栓的拆卸過程中，扭曲應力考驗材料的韌性。而在安裝、拆卸過程中操作失誤造成的機械損傷，會加速材料開裂與失效。如果現場工作環境由于進料或靠近泵體等發生規則或不規則震動，長期工作產生的大量應力容易造成螺栓疲勞斷裂。該螺栓失效分析斷口形貌顯示主要為脆性斷裂，未發現疲勞斷裂的典型特征。

2.2 材質分析

該斷裂螺栓選用材質經過成分分析為1Cr18Ni12，無磁性，疑似為SUS305不銹鋼。SUS305是奧氏體不銹鋼，相較于304不銹鋼（0Cr18Ni9）而言，材質成分中鎳含量較高，因此具有良好的強度和韌性；焊接性良好；冷加工折彎性能良好；經過熱處理后發生硬化；其冷、熱加工性和冷成型性以及焊接性能均為優良，無磁性。因此經常用于加工制作成電子部件用非磁性環境，還可以深加工冷軋成形制成各種生活用品如西餐具等，以及化學容器、機械設備部件、耐熱設備部件、低溫容器部件等，如螺栓、容器等及工業零件。

不銹鋼手冊中指出，奧氏體不銹鋼中鎳的添加具有穩定奧氏體的作用，還可以擴大奧氏體相區。奧氏體不銹鋼中，隨著鎳含量的增加，殘余的鐵素體可完全消除，并顯著降低σ相形成的傾向；同時馬氏體轉變溫度降低，但是鎳含量的增加會降低碳在奧氏體不銹鋼中的溶解度，從而使碳化物析出傾向增強。

本次失效分析的斷裂螺栓正常部位有清晰的奧氏體析出相，但由于鎳含量較高，碳析出在奧氏體晶界處，造成晶界敏感性升高，進而發生沿晶斷裂。

一般條件下，在鋼中可能發生馬氏體轉變的鎳含量范圍內，隨著鎳含量的增加，鋼的韌性進一步改善，熱力學穩定性增加。鎳還可顯著降低奧氏體不銹鋼的冷加工硬化傾向，這主要是由于奧氏體穩定性增大，減少以至消除了冷加工過程中的馬氏體轉變。同時鎳含量的提高有利于奧氏體不銹的冷加工成形性能，提高其熱加工性能[1]。

失效分析發現螺栓的顯微硬度值接近300，高于一般的304不銹鋼，這與其材質成分中較高的鉻含量及鎳含量有關。

2.3 綜合分析

結合斷口部位形貌特征及材質分析結果，壓蓋螺栓斷裂主要是由于材料缺陷、使用環境應力等引起的脆性晶間腐蝕開裂。

由金相分析結果可以發現，斷裂螺栓選用材質為1Cr18Ni12，屬于典型的奧氏體不銹鋼。但該材料合金成分中鎳含量較高，造成冷加工及后續熱處理過程中，碳極容易析出在奧氏體晶界處，造成晶界敏感性升高，容易發生沿晶開裂。在斷口部位縱向金相檢查中發現，材料敏化為三類-溝狀組織。奧氏體不銹鋼的敏化會降低其在腐蝕性介質中的耐蝕性能和機械性能[2]。掃描電鏡檢查發現斷裂面呈典型的冰糖狀形貌，具有明顯的沿晶開裂的特征。在外部拉伸應力的作用下，發生整體脆性斷裂。螺栓基體組織發生敏化與螺栓的加熱成型過程有關。若螺栓成型時的高溫加熱（450～850℃）時間較長，就容易導致其發生敏化現象。

螺栓成型后未進行固溶化處理，或固溶處理溫度不高、時間較短，碳化物未經充分溶解，合金化程度較差。而熱處理溫度低，鉻擴散速度減慢，碳化鉻沉淀加快，更加速了貧鉻區的形成，同時沿晶界分布的碳化鉻會加劇晶界貧鉻，鉻含量降到一定數量（低于12%），貧鉻區機械強度和電化學性能均與正常組織差異較大，在外界應力或腐蝕介質的作用下，造成嚴重的晶間腐蝕現象[3]。

該斷裂螺栓的硬度值較高，強度值高的時候也降低了材料的韌性，增加了材料發生脆性斷裂的風險。

3 結論及建議

3.1 結論

（1）壓蓋螺栓所選用材質為1Cr18Ni12，屬于典型的奧氏體不銹鋼。螺栓金相組織為單相奧氏體，有敏化傾向，為三類—溝狀組織。螺栓硬度值較高，顯微硬度達到300左右；

（2）壓蓋螺栓的斷裂原因是由于材料缺陷、使用環境應力等引起的脆性晶間腐蝕開裂；

（3）螺栓的斷裂失效是沿晶的脆性斷裂。螺栓材料的敏化及螺栓受到的拉應力等是造成螺栓發生沿晶應力腐蝕斷裂的主要原因。其中螺栓的敏化與加熱成型過程不當有關，且成型后未進行固溶化處理或者處理不徹底。

3.2 建議

（1）材質升級。可以考慮升級為316L或2205雙相鋼材質，避免大氣環境介質對螺栓的影響；

（2）增加質量檢驗。閥門制造廠應加強螺栓制作加工質量，防止敏化組織生成，增加開裂風險。使用單位對安裝在重要位置的閥門及螺栓等配件，加強入庫前檢驗，認真填寫入庫檢驗報告單。對重要部位的零組件，委托第三方對閥體螺栓及填料壓蓋螺栓進行金相檢驗等；

（3）防腐處理。建議使用特氟龍等經過表面處理的螺栓，這種類型的螺栓可有效隔絕大氣中引起應力腐蝕介質的接觸[4]，或在螺栓光桿部位增加其他防護涂層。