李 瑋 倪紅芳

（上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院） （上海利策科技股份有限公司）

0 背景介紹

某石化公司工藝管線(xiàn)發(fā)生火災(zāi)爆炸事故，事后針對(duì)事故中失效的閥門(mén)法蘭連接螺栓進(jìn)行了分析。事故現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)：多條管線(xiàn)爆破斷裂，管線(xiàn)中一個(gè)閥門(mén)的閥門(mén)蓋迸出，事故閥門(mén)蓋所有螺栓材料均為304不銹鋼。該閥門(mén)公稱(chēng)直徑為DN150，閥體與閥桿連接法蘭的螺栓全部斷裂，閥芯和閥桿迸出，閥門(mén)蓋丟失，閥體與閥桿的連接螺栓規(guī)格為M27 mm×170 mm。該失效閥門(mén)如圖1所示。

閥門(mén)蓋從南向北斜向上飛出并撞擊到平臺(tái)后落下，與平臺(tái)撞擊時(shí)留下一個(gè)月牙形的穿透孔洞，這說(shuō)明法蘭連接螺栓不是同時(shí)斷裂的，而是南側(cè)的幾根先斷裂，管道內(nèi)的超臨界乙烯瞬時(shí)噴出后導(dǎo)致北側(cè)的螺栓斷裂，但這個(gè)過(guò)程應(yīng)該是在瞬時(shí)完成的?，F(xiàn)場(chǎng)找到的一些斷裂螺栓基本屬于脆性開(kāi)裂，這對(duì)奧氏體不銹鋼來(lái)講是非正常斷裂，需要對(duì)其斷裂原因進(jìn)行分析。

圖1 失效的閥門(mén)

1 宏觀形貌分析

該事故閥門(mén)其閥體與閥桿連接處的法蘭螺栓共12根。閥桿飛出時(shí)，12根螺栓全部斷裂，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)該有24段半截螺栓，但僅找到14段。這些螺栓經(jīng)過(guò)清洗后，呈現(xiàn)不同的光澤亮度，有的螺栓色澤很光亮，接近于新螺栓的光澤；有的螺栓比較暗淡，說(shuō)明這些螺栓在事故現(xiàn)場(chǎng)被火焰灼燒過(guò)。部分清洗后的斷裂螺栓如圖2所示。

圖2 部分清洗后的斷裂螺栓形貌

2 化學(xué)成分分析

對(duì)失效的螺栓取樣，進(jìn)行化學(xué)成分分析，得到的結(jié)果如表1所示。表1中還列出了ASTM A320標(biāo)準(zhǔn)中與該螺栓材料 （304）相同的材料的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分來(lái)做對(duì)比。

表1 螺栓材料化學(xué)成分及其與標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果可知，螺栓材料的碳 （C）含量偏高，超過(guò)了ASTM標(biāo)準(zhǔn)中的要求，而鉻 （Cr）含量低于標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 力學(xué)性能測(cè)試

3.1 常溫拉伸試驗(yàn)

按照國(guó)標(biāo)GB/T 2975—1998《鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試樣取樣位置及試樣制備》對(duì)失效螺栓進(jìn)行取樣。按照GB/T 228—2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》對(duì)試樣進(jìn)行常溫拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為25～26℃。試樣尺寸為?5 mm，標(biāo)距為25 mm，平行段長(zhǎng)度為30 mm，夾持端螺紋為M8，如圖3所示。

圖3 試樣尺寸

試驗(yàn)采用美國(guó)Instron 8800拉伸試驗(yàn)機(jī)。2%應(yīng)變前，加載速率為1 mm/min；2%應(yīng)變后，加載速率為1.5 mm/min。螺栓的拉伸性能如表2所示，表2中同時(shí)還列出了ASTM A320標(biāo)準(zhǔn)中與該螺栓相同材料的標(biāo)準(zhǔn)拉伸性能來(lái)做對(duì)比。

表2 螺栓試樣拉伸性能及其與標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

從拉伸試驗(yàn)結(jié)果可以看出，該304不銹鋼的屈服強(qiáng)度達(dá)到500 MPa左右，抗拉強(qiáng)度達(dá)到800 MPa左右。螺栓強(qiáng)度如此高，這說(shuō)明螺栓經(jīng)過(guò)形變強(qiáng)化處理，即螺栓的加工形式為冷拔加工。

拉斷后的螺栓試樣如圖4所示，均呈明顯的伸長(zhǎng)和頸縮現(xiàn)象，說(shuō)明螺栓的塑性較好。

圖4 常溫拉伸斷后試樣實(shí)物圖

3.2 硬度測(cè)試

按照GB/T 231.1—2009《金屬材料 布氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》對(duì)失效螺栓進(jìn)行硬度檢測(cè)，得到的螺栓硬度值如表3所示。表3中同時(shí)還列出了ASTM A320標(biāo)準(zhǔn)中與該螺栓相同材料的標(biāo)準(zhǔn)硬度值來(lái)做對(duì)比。從表3中數(shù)據(jù)可以看出，螺栓的硬度符合規(guī)定要求。

表3 螺栓硬度值及其與標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

4 金相分析

對(duì)失效螺栓按金相分析要求進(jìn)行取樣，取樣位置如圖5所示，沿軸向剖面觀察試樣的顯微組織。

圖5 金相分析取樣位置

圖6為螺栓金相組織圖，其晶粒度等級(jí)為13級(jí)。其中圖6（a）為失效螺栓在有裂紋處的金相組織，可以看出裂紋為沿晶開(kāi)裂；由圖6（b）可以看出在晶界處有碳化物析出。

圖6 螺栓剖面金相組織

從金相上可以看出，該螺栓為拔制加工，沿拔制方向顯微組織被拉長(zhǎng)；另外，還有針狀及板條狀馬氏體，這也是冷拔過(guò)程形成的。晶界上分布大量碳化物。除主裂紋外，還有很多微裂紋，這些微裂紋也是沿晶開(kāi)裂的，裂紋尖端有些分叉。

對(duì)失效螺栓的斷口進(jìn)行能譜掃描分析 （EDS），檢測(cè)其中Cl元素的含量，結(jié)果如表4所示。

表4 螺栓斷口元素含量（%）

從螺栓的金相圖中可以看到，在晶界處有許多碳化物析出。為了確認(rèn)晶界處析出碳化物的真實(shí)性，對(duì)圖2中13號(hào)螺栓斷口晶界處析出的碳化物做了EDS分析，分析結(jié)果如表5所示，析出物粒子中主要成分是Cr元素，即粒子是Cr的碳化物。

5 斷口掃描電鏡分析

圖7為圖2中13號(hào)螺栓原始斷口形貌圖，由圖7可見(jiàn)斷口具有明顯的巖石狀沿晶斷裂的特征。

對(duì)13號(hào)螺栓斷口進(jìn)行了EDS掃描，檢測(cè)其中Cl元素的含量，結(jié)果如表6所示。

表5 螺栓斷口表面析出碳化物EDS分析

圖7 螺栓原始斷口形貌

表6 螺栓斷口Cl含量EDS分析

圖8為常溫拉伸試樣的斷口形貌圖，斷口有明顯的韌窩，屬于韌性斷裂。

圖8 常溫拉伸試樣斷口形貌

6 晶間腐蝕試驗(yàn)

沿螺栓剖面取樣進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)，試驗(yàn)嚴(yán)格按照GB/T 4334—2008《金屬和合金的腐蝕 不銹鋼晶間腐蝕試驗(yàn)方法》中的方法E（不銹鋼硫酸-硫酸銅腐蝕試驗(yàn)方法）進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果如圖 9所示。結(jié)果表明，該螺栓材料具有明顯的晶間腐蝕傾向。

圖9 晶間腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

7 分析與討論

本案例中螺栓的斷裂為典型的晶間應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，且為脆性開(kāi)裂特征。開(kāi)裂的組織原因?yàn)椴牧瞎倘芴幚聿划?dāng)，奧氏體晶界上析出大量的碳化物，導(dǎo)致晶界附近貧鉻；開(kāi)裂的環(huán)境因素是沿海大氣環(huán)境中具有氯離子、氧等腐蝕介質(zhì)；螺栓受到較大的拉應(yīng)力和扭矩是導(dǎo)致螺栓應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的力學(xué)因素。

應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂是一種力學(xué)-環(huán)境破壞過(guò)程。材料在持久的拉伸應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)共同作用下發(fā)生的脆性開(kāi)裂破壞現(xiàn)象稱(chēng)為應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂 （stress corrosion cracking，SCC）。應(yīng)力腐蝕是電化學(xué)腐蝕和機(jī)械應(yīng)力破壞互相促進(jìn)裂紋生成和擴(kuò)展的過(guò)程。應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂產(chǎn)生失效的時(shí)間比應(yīng)力和腐蝕單獨(dú)作用或者二者簡(jiǎn)單疊加所需要的時(shí)間短。

敏感的合金、特定的介質(zhì)和一定的靜拉應(yīng)力是發(fā)生應(yīng)力腐蝕的三個(gè)必要條件。對(duì)于一定的材料，其應(yīng)力腐蝕只在特定的介質(zhì)中發(fā)生。這種材料與敏感介質(zhì)的組合關(guān)系，稱(chēng)為應(yīng)力腐蝕體系。

本案例中螺栓發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的條件都具備： （1）螺栓預(yù)緊時(shí)受力過(guò)大，造成螺栓在內(nèi)壓作用下承受很高的拉應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力； （2）304奧氏體不銹鋼和沿海大氣的Cl-環(huán)境。一般來(lái)講，沿海大氣中的Cl離子濃度不足以造成304不銹鋼的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，但是本案例中的螺栓碳含量偏高，又未做固溶處理，造成了晶界大量碳化物析出，導(dǎo)致晶界貧Cr的情況發(fā)生，使材料的晶間腐蝕敏感性大大提高，在拉應(yīng)力作用下就產(chǎn)生了沿晶的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。

8 結(jié)論

本案例中對(duì)斷裂的法蘭連接螺栓進(jìn)行了失效分析。通過(guò)測(cè)試和試驗(yàn)表明，該螺栓碳含量超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值，同時(shí)該螺栓未經(jīng)過(guò)固溶處理 （或固溶處理不完善），導(dǎo)致了晶界大量碳化物析出，在沿海大氣環(huán)境中的Cl離子作用下產(chǎn)生了沿晶的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。

應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂是一種力學(xué)-環(huán)境破壞過(guò)程。開(kāi)裂的環(huán)境因素是沿海大氣環(huán)境中的Cl離子、氧等腐蝕介質(zhì)的存在；法蘭連接螺栓過(guò)大的拉應(yīng)力則是誘發(fā)本次螺栓應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的力學(xué)因素。應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂是個(gè)緩慢的過(guò)程，在閥門(mén)蓋飛出前大部分的螺栓已經(jīng)斷裂，最后未斷裂部分不足以承擔(dān)閥門(mén)的內(nèi)壓時(shí)便產(chǎn)生了瞬間斷裂。

此外，法蘭連接螺栓的預(yù)緊力過(guò)大與法蘭接頭密封失效也有著密切的關(guān)聯(lián)。