天然氣閘閥法蘭螺釘斷裂失效分析

　　某天然氣公司對(duì)管線進(jìn)行檢修時(shí)，發(fā)現(xiàn)其閘閥矩形法蘭的部分緊固螺釘發(fā)生斷裂。該閘閥埋在地下，閥內(nèi)壓力為0.4MPa，介質(zhì)為天然氣，螺釘?shù)膹?qiáng)度等級(jí)為12.9級(jí)，屬高強(qiáng)度螺釘。為探討螺釘斷裂的原因，進(jìn)行了下列檢查與分析。

1、檢查與分析

1.1、螺釘斷口宏觀檢查

　　用丙酮和超聲波對(duì)螺釘斷口進(jìn)行清洗，除去其表面的雜物及污漬，然后進(jìn)行宏觀檢查，發(fā)現(xiàn)螺釘斷口均與其軸線垂直，斷裂前無明顯塑性變形，為脆性斷裂。

1.2、螺釘化學(xué)成分分析

　　將螺釘送至湖北省冶金產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站理化實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行化學(xué)成分分析，檢測(cè)結(jié)果如表1所示，參照廠家提供的標(biāo)準(zhǔn)與GB/T3077中35CrMoA材料要求，可以看到用化學(xué)法測(cè)定的螺釘材料化學(xué)成分符合35CrMoA材料的要求。

表1 螺釘化學(xué)成分

1.3、螺釘金相組織分析

　　根據(jù)湖北省冶金產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站理化實(shí)驗(yàn)室對(duì)螺釘材料的金相組織分析得知，螺釘?shù)慕鹣嘟M織為回火索氏體，如圖1所示。

圖1 螺釘金相組織

1.4、螺釘斷口微觀形貌分析

　　對(duì)發(fā)生事故的閘閥上的5個(gè)斷裂螺釘取樣(編為1～5號(hào))，使用掃描電鏡分別對(duì)螺釘斷口進(jìn)行觀察。1號(hào)螺釘斷口的微觀形貌如圖2所示，其中圖2(a)、(b)、(c)為1號(hào)螺釘邊緣區(qū)的微觀形貌，從圖中可以看出，晶界間的微裂紋清晰可見，是明顯的晶間破壞，這些區(qū)域斷面呈冰糖狀。1號(hào)螺釘中心區(qū)微觀形貌如圖2(d)所示，韌性特征非常明顯，微觀組織形態(tài)非常完美，呈菊花狀，說明螺釘?shù)奈⒂^組織狀態(tài)是從心部到外表面逐步變差的。其他4個(gè)螺釘斷口的微觀形貌都與1號(hào)螺釘相似，晶間開裂情況嚴(yán)重，存在著多處晶間裂紋及連通性裂紋。

圖2 1號(hào)螺釘斷口的SEM形貌

1.5、螺釘軸剖面微觀分析

　　為研究螺釘斷口晶間裂紋產(chǎn)生的原因，將1號(hào)螺釘沿軸剖面剖開，使用掃描電鏡進(jìn)行分析。如圖3所示，螺釘材料晶間開裂現(xiàn)象嚴(yán)重，說明材料內(nèi)部已經(jīng)存在微裂紋等缺陷。

圖3 1號(hào)螺釘軸剖面的SEM形貌

1.6、螺釘斷口能譜分析

　　對(duì)以上5個(gè)斷裂螺釘?shù)臄嗫谏舷嚓P(guān)點(diǎn)進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如表2所示。從1、2號(hào)螺釘微區(qū)能譜分析可知，其微區(qū)元素中含有較高的Si、S等雜質(zhì)(Si：3.26，0.74;S：0.34，4.40，Si正常值應(yīng)小于0.30%，S正常值應(yīng)小于0.035%)，還有Ca甚至是Cl.這些元素都是在晶間開裂非常嚴(yán)重的區(qū)域測(cè)得的，硫，磷等元素的偏析形成夾雜，元素結(jié)晶分布不均，使材料的脆性增強(qiáng)，有利于晶間裂紋缺陷的產(chǎn)生。說明“雜質(zhì)偏析”極有可能是引起這兩個(gè)螺釘脆性斷裂的原因。又如4、5號(hào)螺釘?shù)奈�區(qū)元素分析結(jié)果中Si、S等雜質(zhì)含量非常低，而Cr、Mn的含量非常飽滿，未在化合物中損耗、流失。那么這種斷裂有可能是“氫脆”引起的斷裂。

表2 螺釘斷口的能譜分析

2、綜合分析

　　綜合以上各種分析可知，螺釘?shù)臄嗔褳榇嘈詳嗔眩�由于螺釘微觀上存在著晶間開裂缺陷，其斷裂為晶間裂紋擴(kuò)展到一定程度時(shí)導(dǎo)致的脆性斷裂。

　　雖然螺釘材料化學(xué)成分分析數(shù)據(jù)與廠家提供的標(biāo)準(zhǔn)相符，但是螺釘斷口能譜分析發(fā)現(xiàn)材料中雜質(zhì)分布不均，某些部位硅、硫、磷等雜質(zhì)含量偏高，有利于晶間裂紋缺陷的形成。同時(shí)，通過螺釘軸剖面微觀分析可知，螺釘材料內(nèi)部已經(jīng)存在微裂紋等缺陷。生產(chǎn)廠家螺釘?shù)脑O(shè)計(jì)強(qiáng)度為最高等級(jí)，高強(qiáng)度鋼螺釘?shù)闹谱鞴に嚶肪�一般為：盤條→冷拔→球化退火→機(jī)械除鱗→酸洗→冷拔→冷鐓成形→搓齒→熱處理，其中酸洗與搓齒兩個(gè)環(huán)節(jié)易產(chǎn)生缺陷，酸洗后如不注意去氫處理，有可能引發(fā)材料的氫脆破壞;搓齒加工會(huì)引起材料變形，可能會(huì)在螺紋的表面部分產(chǎn)生劃傷或裂紋，從而導(dǎo)致螺釘?shù)拇鄶�。螺釘材料�?5CrMnA，這種材料在無缺陷和較小拉應(yīng)力條件下具有很強(qiáng)的抵抗硫化氫應(yīng)力腐蝕的能力。但在螺釘存在缺陷的情況下，應(yīng)研究如何防止裂紋擴(kuò)展而引起螺釘?shù)拇鄶唷?/p>

3、結(jié)語(yǔ)

　　斷裂螺釘存在嚴(yán)重的晶間裂紋缺陷，其斷裂為晶間裂紋擴(kuò)展、貫通到一定程度時(shí)導(dǎo)致的脆性斷裂。螺釘斷面某些部位硅、硫、磷等雜質(zhì)含量偏高，“雜質(zhì)偏析”有利于晶間裂紋缺陷的形成。同時(shí)，廠家選用12.9級(jí)高強(qiáng)度螺釘，高強(qiáng)度螺釘制作工藝過程處理不當(dāng)，有氫殘余，螺釘材料內(nèi)部已經(jīng)存在微裂紋等缺陷，所以螺釘?shù)臄嗔咽怯?ldquo;氫脆”引起的，這也是螺釘脆斷的主要因素。

　　通過計(jì)算，采用強(qiáng)度等級(jí)為6.8級(jí)的普通螺釘能夠滿足閘閥使用時(shí)的強(qiáng)度要求，同時(shí)6.8級(jí)的普通螺釘避免了酸洗等制作工藝過程，降低了螺釘制作中，氫殘余及產(chǎn)生微觀裂紋等缺陷的風(fēng)險(xiǎn)，建議更換6.8級(jí)的普通螺釘。