天然氣閘閥法蘭螺釘斷裂失效分析

　　某天然氣公司對管線(xiàn)進(jìn)行檢修時(shí)，發(fā)現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，閥內壓力為0.4MPa，介質(zhì)為天然氣，螺釘的強度等級為12.9級，屬高強度螺釘。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(guān)檢查

　　用丙酮和超聲波對螺釘斷口進(jìn)行清洗，除去其表面的雜物及污漬，然后進(jìn)行宏觀(guān)檢查，發(fā)現螺釘斷口均與其軸線(xiàn)垂直，斷裂前無(wú)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)量監督檢驗站理化實(shí)驗室進(jìn)行化學(xué)成分分析，檢測結果如表1所示，參照廠(chǎng)家提供的標準與GB/T3077中35CrMoA材料要求，可以看到用化學(xué)法測定的螺釘材料化學(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

　　根據湖北省冶金產(chǎn)品質(zhì)量監督檢驗站理化實(shí)驗室對螺釘材料的金相組織分析得知，螺釘的金相組織為回火索氏體，如圖1所示。

圖1 螺釘金相組織

1.4、螺釘斷口微觀(guān)形貌分析

　　對發(fā)生事故的閘閥上的5個(gè)斷裂螺釘取樣(編為1～5號)，使用掃描電鏡分別對螺釘斷口進(jìn)行觀(guān)察。1號螺釘斷口的微觀(guān)形貌如圖2所示，其中圖2(a)、(b)、(c)為1號螺釘邊緣區的微觀(guān)形貌，從圖中可以看出，晶界間的微裂紋清晰可見(jiàn)，是明顯的晶間破壞，這些區域斷面呈冰糖狀。1號螺釘中心區微觀(guān)形貌如圖2(d)所示，韌性特征非常明顯，微觀(guān)組織形態(tài)非常完美，呈菊花狀，說(shuō)明螺釘的微觀(guān)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(guān)形貌都與1號螺釘相似，晶間開(kāi)裂情況嚴重，存在著(zhù)多處晶間裂紋及連通性裂紋。

圖2 1號螺釘斷口的SEM形貌

1.5、螺釘軸剖面微觀(guān)分析

　　為研究螺釘斷口晶間裂紋產(chǎn)生的原因，將1號螺釘沿軸剖面剖開(kāi)，使用掃描電鏡進(jìn)行分析。如圖3所示，螺釘材料晶間開(kāi)裂現象嚴重，說(shuō)明材料內部已經(jīng)存在微裂紋等缺陷。

圖3 1號螺釘軸剖面的SEM形貌

1.6、螺釘斷口能譜分析

　　對以上5個(gè)斷裂螺釘的斷口上相關(guān)點(diǎn)進(jìn)行能譜分析，結果如表2所示。從1、2號螺釘微區能譜分析可知，其微區元素中含有較高的Si、S等雜質(zhì)(Si：3.26，0.74;S：0.34，4.40，Si正常值應小于0.30%，S正常值應小于0.035%)，還有Ca甚至是Cl.這些元素都是在晶間開(kāi)裂非常嚴重的區域測得的，硫，磷等元素的偏析形成夾雜，元素結晶分布不均，使材料的脆性增強，有利于晶間裂紋缺陷的產(chǎn)生。說(shuō)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號螺釘的微區元素分析結果中Si、S等雜質(zhì)含量非常低，而Cr、Mn的含量非常飽滿(mǎn)，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，螺釘的斷裂為脆性斷裂，由于螺釘微觀(guān)上存在著(zhù)晶間開(kāi)裂缺陷，其斷裂為晶間裂紋擴展到一定程度時(shí)導致的脆性斷裂。

　　雖然螺釘材料化學(xué)成分分析數據與廠(chǎng)家提供的標準相符，但是螺釘斷口能譜分析發(fā)現材料中雜質(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(guò)螺釘軸剖面微觀(guān)分析可知，螺釘材料內部已經(jīng)存在微裂紋等缺陷。生產(chǎn)廠(chǎng)家螺釘的設計強度為最高等級，高強度鋼螺釘的制作工藝路線(xiàn)一般為：盤(pán)條→冷拔→球化退火→機械除鱗→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，從而導致螺釘的脆斷。螺釘材料為35CrMnA，這種材料在無(wú)缺陷和較小拉應力條件下具有很強的抵抗硫化氫應力腐蝕的能力。但在螺釘存在缺陷的情況下，應研究如何防止裂紋擴展而引起螺釘的脆斷。

3、結語(yǔ)

　　斷裂螺釘存在嚴重的晶間裂紋缺陷，其斷裂為晶間裂紋擴展、貫通到一定程度時(shí)導致的脆性斷裂。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(chǎng)家選用12.9級高強度螺釘，高強度螺釘制作工藝過(guò)程處理不當，有氫殘余，螺釘材料內部已經(jīng)存在微裂紋等缺陷，所以螺釘的斷裂是由“氫脆”引起的，這也是螺釘脆斷的主要因素。

　　通過(guò)計算，采用強度等級為6.8級的普通螺釘能夠滿(mǎn)足閘閥使用時(shí)的強度要求，同時(shí)6.8級的普通螺釘避免了酸洗等制作工藝過(guò)程，降低了螺釘制作中，氫殘余及產(chǎn)生微觀(guān)裂紋等缺陷的風(fēng)險，建議更換6.8級的普通螺釘。