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        高強度鋁合金閥門螺母破裂原因分析

        2020-06-02 10:04:36夏志偉
        中國金屬通報 2020年5期
        關鍵詞:氧氣瓶內(nèi)螺紋高強度

        謝 飛,夏志偉

        (蘇州華碧微科檢測技術有限公司,江蘇 蘇州215024)

        1 引言

        某組合式工業(yè)氧氣瓶組使用的集氣管道在使用一年多時間后,焊接在管道端部的高強度鋁合金閥門螺母在更換氧氣瓶組時發(fā)生破裂。經(jīng)了解,該氧氣瓶組由20罐氧氣瓶組成,由1根焊接了20個接口的合金集氣管,通過一端的閥門集中充放氣。

        應力腐蝕破裂是指金屬材料或構(gòu)件在張應力和腐蝕介質(zhì)共同作用下發(fā)生的失效現(xiàn)象[1]。它常出現(xiàn)于鍋爐用的金屬、黃銅、高強度鋁合金中。一般在拉伸應力作用下才能引起應力腐蝕開裂。這種拉應力可以是外加載荷造成的應力,也可以是各種殘余應力,如焊接殘余應力,熱處理殘余應力和裝配應力等。產(chǎn)生應力腐蝕的環(huán)境總是存在特定腐蝕介質(zhì),這種腐蝕介質(zhì)一般都很弱,如果沒有拉應力的同時作用,材料在這種介質(zhì)中腐蝕速度很慢,產(chǎn)生應力腐蝕的介質(zhì)一般都是特定的,如黃銅在氨氣氛中,高強度鋁合金在具有氯離子的腐蝕介質(zhì)中容易發(fā)生應力腐蝕。

        2 檢驗過程與結(jié)果

        2.1 宏觀檢查

        圖1 管道閥門及配套破裂螺母

        圖2 管道閥門螺紋缺失

        對閥門接口的螺紋及破裂的配套合金螺母進行宏觀檢查,見圖1。閥門接口螺紋起始段存在螺紋缺失,見圖2;高強度鋁合金螺母管壁外張變形呈喇叭狀,螺母表面存在4條縱向貫穿螺母管壁的裂紋,見圖3;螺母外側(cè)于裂紋端部可見細小裂紋,呈不規(guī)則擴展,見圖4。螺母縱向貫穿裂紋的內(nèi)螺紋位置存在嚴重磨損,并沿螺紋環(huán)向擴展,見圖5、圖6。

        圖3 螺母破裂時外觀照

        圖4 破裂螺母外側(cè)裂紋端部

        圖5 破裂螺母內(nèi)側(cè)螺紋缺失

        圖6 破裂螺母內(nèi)側(cè)裂紋環(huán)向擴展

        2.2 顯微組織觀察及分析

        對高強度鋁合金螺母進行橫向顯微組織觀察,由圖7可知,高強度鋁合金閥門螺母的橫向顯微組織為奧氏體組織,組織較均勻,伴生孿晶,擴展裂紋周圍存在腐蝕坑,裂紋沿晶界擴展,為典型的沿晶斷裂。

        圖7 耐腐防滲層傅里葉紅外分析圖譜

        2.3 斷口觀察及能譜成分分析

        圖8 螺母斷口宏觀照片

        圖9 螺母裂紋斷面附近螺紋宏觀照片

        圖10 螺母斷口能譜分析照片

        將高強度鋁合金螺母的縱向裂紋打開,斷口經(jīng)超聲波清洗處理后進行斷口形貌觀察。宏觀下可見裂紋斷口及內(nèi)螺紋缺失位置均存在氧化變色,且靠近內(nèi)螺紋缺失位置的斷口氧化顏色更深,見圖8、圖9;微觀下裂紋斷口位置的晶粒輪廓明顯,呈“冰糖塊”,屬于典型的沿晶斷口[2]。局部位置存在氧化產(chǎn)物,對其進行能譜成分分析,主要成分除了金屬自身成分外還含有氧(O)、氯(Cl)、鋅(Zn)、鎂(Mg)、鉀(K)、鈣(Ca)等元素,見圖10。

        2.4 成分分析

        采用全譜直讀光譜儀對高強度鋁合金閥門螺母進行化學成分檢測,檢測結(jié)果見表1。

        表1 螺母化學成分檢測結(jié)果(%)

        由上表可知,高強度鋁合金閥門螺母的化學成分雖然個別元素不能滿足GB/T 20878-2007《不銹鋼和耐熱鋼 牌號及化學成分》中所列的某些金屬材料牌號(如S35350、S35950)要求,但是仍屬于奧氏體范疇。

        3 結(jié)果分析

        本文中的高強度鋁合金螺母為奧氏體金屬材料,螺母內(nèi)螺紋位置存在螺紋磨損、缺失,六角螺母的四個面均出現(xiàn)縱向貫穿裂紋,說明在螺母發(fā)生破裂前涉案螺母內(nèi)螺紋與閥門螺紋已經(jīng)發(fā)生了異常磨損,造成螺母內(nèi)螺紋缺失、表面不平整等缺陷;其顯微組織為奧氏體組織,組織均勻;主裂紋屬于沿晶裂紋,裂紋附近的晶界位置存在腐蝕點坑,結(jié)合斷口的能譜分析結(jié)果可知,除了材料自身所含元素,斷口位置還含有較高的氧元素和少量的腐蝕性氯元素,分析認為,螺母是從螺紋缺陷位置受到腐蝕及外應力共同作用發(fā)生應力腐蝕[3]。

        本文中高強度鋁合金螺母作為緊固件材料,其內(nèi)螺紋位置會持續(xù)受自身鎖緊力或外部擰緊力作用,屬于應力集中最大處,在管道輸送氧氣及工況環(huán)境介質(zhì)的共同作用下發(fā)生應力腐蝕,會持續(xù)降低緊固件材料的強度。該工業(yè)氧氣瓶組作為循環(huán)充氣使用的產(chǎn)品,若其螺母內(nèi)螺紋位置的初始裂紋不能及時被檢出,最終會使得螺母發(fā)生破裂。

        綜上分析可知,涉案螺母由于與閥門存在異常磨損,導致內(nèi)螺紋缺失,出現(xiàn)表面缺陷,同時螺紋缺陷處作為材料的應力集中最大處,并在工況使用環(huán)境介質(zhì)的共同作用下發(fā)生應力腐蝕,最終導致高強度鋁合金螺母發(fā)生破裂。

        4 結(jié)論及建議

        (1)本文中高強度鋁螺母緊固件由于內(nèi)螺紋的磨損缺失出現(xiàn)表面缺陷,在工況環(huán)境介質(zhì)作用下于表面缺陷處發(fā)生應力腐蝕,最終導致合金螺母破裂。

        (2)采用抗磨損及抗應力腐蝕性能更加優(yōu)越的材料制造螺母。

        (3)工業(yè)生產(chǎn)過程中,應定期對氣瓶閥門及管道接口緊固件進行檢驗,避免氣瓶閥門及管道接口出現(xiàn)破損缺失,同時應查明氯的來源,避免氯接觸到管道材料發(fā)生應力腐蝕。

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