童遠(yuǎn)濤， 楊中娜， 羅 懿， 楊 陽， 王驊鐘， 王海鋒

（1. 中海石油（中國） 有限公司 湛江分公司， 廣東 湛江524057；2. 中海石油（天津） 管道工程技術(shù)有限公司， 天津300452）

1 斷裂失效宏觀分析

某平臺天然氣接觸塔出口管線隔離球閥法蘭的螺栓發(fā)生斷裂， 該法蘭螺栓于2007 年投入使用， 服役外部環(huán)境介質(zhì)為海洋大氣， 管線內(nèi)部壓力約為6.38 MPa。 斷裂螺栓規(guī)格為M33 mm×240 mm， 表面采用熱浸鋅工藝進(jìn)行防腐處理， 螺栓材質(zhì)為40Cr， 強度級別為10.9 級?；厥章菟ü? 件， 其中斷裂螺栓編號為1#， 未斷裂螺栓編號為2#， 如圖1 所示。 由圖1 可以看出， 螺栓表面除了與螺母配合處可見涂層外， 其余位置已由黃褐色腐蝕產(chǎn)物覆蓋， 斷裂發(fā)生在螺栓與螺母的螺紋嚙合處的第一個螺紋根部， 該部位的腐蝕產(chǎn)物顏色較深。 1#斷裂螺栓表面可見3處牙頂發(fā)生了開裂， 中部有少量涂層殘留。

進(jìn)一步觀察斷口形貌， 1#螺栓斷面平直， 腐蝕較嚴(yán)重， 斷裂方向與拉應(yīng)力方向垂直， 無明顯宏觀塑性變形， 如圖2 所示， 可見螺栓為典型的脆性斷裂[1]。

將螺栓斷口清除油污后進(jìn)行觀察， 如圖3 所示， 由圖3 斷口可見明顯放射線， 放射線收斂處為裂紋源區(qū)（Ⅰ區(qū)）， 可見裂紋起源于表面， 此處顏色較深， 腐蝕最嚴(yán)重； 擴展區(qū)（Ⅱ區(qū)） 占斷口面積的90%以上， 斷面粗糙， 可見白亮色金屬光澤和黃褐色腐蝕產(chǎn)物； 瞬斷區(qū)（Ⅲ區(qū)） 位于斷口邊緣， 所占面積較小， 可見極少量的剪切唇。

圖1 螺栓宏觀形貌

圖2 1#螺栓斷面宏觀形貌

圖3 清除油污后螺栓斷口形貌

2 理化性能檢測

從1#和2#螺栓上分別取樣， 按照GB/T 3098.1—2010 《緊固件機械性能 螺栓、 螺釘和螺柱》 中10.9 級螺栓的要求， 開展材料理化性能分析。

2.1 化學(xué)成分

采用直讀光譜儀對螺栓的化學(xué)成分進(jìn)行分析， 檢測標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 4336—2016， 結(jié)果見表1。由表1 可以看出， 2#螺栓的化學(xué)成分滿足標(biāo)準(zhǔn)要求， 而1#螺栓w（P）過高。 P 元素在鋼中的固溶強化和冷作硬化作用較強， 作為合金元素加入鋼中， 能提高鋼的強度和耐大氣腐蝕性能， 但其最大的危害是偏析較嚴(yán)重， 容易增加回火脆性， 降低鋼的塑性和韌性， 致使鋼在冷加工時容易脆裂， 即 “冷脆” 現(xiàn)象[2]。

表1 螺栓化學(xué)成分分析

從1#螺栓緊鄰斷口位置的心部和近表面1 mm左右， 分別截取1 個和2 個圓棒試樣（遠(yuǎn)離裂紋源處記為A， 近裂紋源處記為B）， 采用氧氮氫分析儀對材料中的H 元素進(jìn)行分析， 檢測標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 20124—2006， 結(jié)果見表2。

表2 螺栓斷口試樣氫含量分析結(jié)果 %

由表2 可以看出， 螺栓近表面位置氫含量略高于中心位置。 一般來說， w（H）＞5×10-6才會產(chǎn)生氫致裂紋[3]， 但高強度螺栓即使w（H）在1×10-6以下， 由于應(yīng)力的作用處在點陣間隙中的氫原子會通過擴散集中于缺口所產(chǎn)生的的應(yīng)力集中處，氫原子與位錯的交互作用， 使位錯線被釘扎住，不能自由活動， 從而使材料變脆。

2.2 拉伸性能

采用雙立柱萬能材料試驗機對螺栓進(jìn)行拉伸試驗， 為避免螺栓表面質(zhì)量對拉伸性能產(chǎn)生影響， 因此， 從螺栓中心位置各取1 個圓棒試樣，拉伸試驗結(jié)果見表3。 由表3 可見， 螺栓的斷后伸長率、 斷面收縮率均不滿足GB/T 3098.1—2010 中10.9 級螺栓的要求。 拉伸試驗后的試樣形貌如圖4 所示， 由圖4 可以看出， 兩個螺栓的拉伸試樣斷口平直， 未見明顯塑性變形區(qū)域， 說明螺栓脆性較大。

表3 螺栓試樣拉伸試驗結(jié)果

圖4 拉伸試驗后的試樣形貌

2.3 沖擊性能

從螺栓上分別取全尺寸試樣， 尺寸為10 mm×10 mm×55 mm， 采用擺錘沖擊試驗機對試樣進(jìn)行沖擊試驗， 試樣斷口形貌如圖5 所示。 由圖5 可以看出， 2 個螺栓試樣的沖擊斷口均無纖維區(qū)和剪切唇， 表明試樣的脆性較大，這與拉伸試驗得出的結(jié)果相同。 試樣沖擊試驗結(jié)果見表4， 表4 中螺栓試樣的沖擊功遠(yuǎn)低于GB/T 3098.1—2010 中10.9 級螺栓的標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖5 沖擊試樣斷口形貌

表4 螺栓試樣沖擊試驗結(jié)果

2.4 洛氏硬度

采用洛氏硬度試驗機進(jìn)行硬度試驗， 取螺栓橫截面試樣， 測試位置如圖6 所示， 試驗結(jié)果見表5。 從表5 可以看出， 試樣的硬度值大于GB/T 3098.1—2010 中對10.9 級螺栓的要求， 說明試樣硬度較高， 脆性較大。

圖6 洛氏硬度測試位置示意圖

表5 試樣洛氏硬度試驗結(jié)果

2.5 金相分析

采用倒置金相顯微鏡對螺栓試樣的金相組織進(jìn)行分析， 分析結(jié)果如圖7 所示。 由圖7 看出，1#與2#螺栓的金相組織均為回火馬氏體+少量鐵素體組織， 未見明顯脫碳現(xiàn)象。

圖7 螺栓試樣金相組織形貌 500×

取縱向試樣進(jìn)行夾雜物分析， 結(jié)果如圖8～圖9 所示。 可以看出， 1#螺栓的夾雜物評級為A類 （硫化物類） 1.5 級、 B 類 （氧化鋁類） 1 級和D 類 （環(huán)狀氧化物類） 1.5 級； 2#螺栓的夾雜物評級為A 類2.5 級、 B 類1 級和D 類1 級夾雜物。 鋼中的夾雜物以群集、 連續(xù)網(wǎng)狀或者串鏈狀存在時， 將破壞基體金屬的連續(xù)性， 從而降低金屬材料的塑性和韌性[4-5]。

將螺栓縱向剖開后對其螺紋進(jìn)行金相觀察，觀察結(jié)果如圖10 所示。 由圖10 可以看出， 1#螺栓的大部分牙頂均存在微裂紋， 末端有分叉， 牙底未見微裂紋等缺陷； 2#螺栓的牙頂和牙底未見明顯裂紋， 局部區(qū)域可見均勻涂層。

圖8 1#螺栓夾雜物形貌

圖9 2#螺栓夾雜物形貌

圖10 螺栓螺紋金相觀察

3 斷口微觀形貌及能譜分析

采用掃描電子顯微鏡對1#螺栓的斷口、 2 個螺栓的螺紋以及沖擊、 拉伸斷口進(jìn)行微觀形貌觀察， 并利用牛津能譜儀對微區(qū)成分進(jìn)行分析。

3.1 1#螺栓斷口微觀形貌及能譜分析

圖11 1#螺栓斷口裂紋源附近低倍形貌

1#螺栓斷口裂紋源附近的低倍形貌如圖11所示， 由圖11 可見裂紋源區(qū)腐蝕較嚴(yán)重， 微觀形貌顯示為沿晶特征， 晶界處有二次裂紋， 表明局部區(qū)域有腐蝕產(chǎn)物覆蓋。 裂紋源向擴展區(qū)的過渡區(qū)主要為沿晶＋解理特征， 擴展區(qū)逐漸過度為解理+韌窩形貌， 如圖12 所示。

對裂紋源靠近螺栓外表面位置進(jìn)行能譜分析， 結(jié)果如圖13 所示。

圖12 裂紋源向擴展區(qū)過渡的組織形貌

由圖13 可以看出， 該處主要成分為鐵的氧化物和少量鋅涂層， 并且Cl 元素含量較高， 說明斷口受到了海洋鹽霧環(huán)境中Cl-的影響， 會加速鋼的腐蝕[6]。 此外， 在a 點位置還發(fā)現(xiàn)了少量的鎘元素。

對裂紋源沿晶區(qū)進(jìn)行了能譜分析， 結(jié)果如圖14 所示。 圖14 中a 點主要為基體材料＋少量腐蝕產(chǎn)物， b 點球狀物主要為鐵的氧化物，并 且 含 有 少 量Zn、 Ca、 Cd、 Co、 Cu、 Cl、 S等元素。

圖13 裂紋源區(qū)靠近螺栓外表面微區(qū)能譜分析結(jié)果

圖14 裂紋源沿晶區(qū)能譜分析結(jié)果

3.2 1#螺栓螺紋微觀形貌及能譜分析

圖15 1#螺栓斷口附近螺紋牙頂處能譜分析

對1#螺栓斷口附近的一個螺牙進(jìn)行尺寸測量及能譜分析， 結(jié)果如圖15 所示。 斷口附近螺紋牙頂可見微裂紋長度約0.814 mm， 裂紋內(nèi)腐蝕產(chǎn)物較多。 螺紋表面及裂紋內(nèi)均含有較高含量的Cd 元素， 裂紋從內(nèi)向外w（Cd）由10.44%降為2.21%， 貼近基體位置的d 點w（Cd）仍然較高，說明Cd 與基體附著較緊密。 Zn 含量極少， 說明鋅涂層已基本全部脫落。 根據(jù)螺栓熱浸鋅工藝來看， 不應(yīng)出現(xiàn)Cd， 說明表面鋅層和基體之間出現(xiàn)的Cd 元素屬于異常元素。

3.3 2#螺栓螺紋微觀形貌及能譜分析

對2#螺栓縱向取樣觀察螺紋微觀形貌， 如圖16 所示。 圖16 中未見明顯微裂紋， 樣品表面部分涂層保存較好， 鍍鋅層呈現(xiàn)顆粒狀。 對基體至涂層依次進(jìn)行能譜分析， 結(jié)果如圖17 所示。由 圖17 可 見， a 處 為 基 體， c 處 含Zn 較 高，推測為鍍鋅層， 基體與涂層之間的灰色區(qū)b 處w（Cd）高達(dá)62.02%， 推測螺栓在熱浸鋅之前可能有鍍鎘程序。 鍍鋅層內(nèi)部白色發(fā)亮區(qū)d 處的Cl、Na 含量較高， 說明海洋鹽霧環(huán)境中的Cl-已經(jīng)滲入鋅層中。

圖16 2#螺栓螺紋微觀形貌

圖17 2#螺栓螺紋能譜分析結(jié)果

4 失效原因分析

根據(jù)理化性能試驗可知， 2 個螺栓的材質(zhì)均不滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3098.1—2010 的要求， 材料脆性很大， 特別是螺栓中微量的氫也會增加螺栓的脆性。 同時， 螺栓的金相組織均為回火馬氏體+少量鐵素體， 并含有較多A 類、 B 類、 D 類非金屬夾雜物， 未見明顯脫碳現(xiàn)象。 研究[7]表明， 回火馬氏體組織對氫脆較為敏感。

斷裂螺栓的大部分牙頂均存在微裂紋， 末端有分叉， 微裂紋內(nèi)部w（Cd）較高， 推測裂紋在涂層工藝之前已經(jīng)存在， 在螺栓表面處理時， 涂鍍層元素大量進(jìn)入裂紋內(nèi)部。 螺栓螺紋牙底未見微裂紋等缺陷， 而裂紋源位于螺紋根部， 說明牙頂微裂紋不是導(dǎo)致螺栓開裂的主要原因。

由斷口微觀形貌及能譜分析結(jié)果推測螺栓在熱浸鋅之前可能有鍍鎘程序， 這可能會使螺栓基體與鍍鎘層結(jié)合更加緊密， 從而影響熱浸鋅涂層與基體的結(jié)合力。 鍍鋅層內(nèi)有較高的Cl 元素，說明海洋鹽霧環(huán)境中的Cl-已經(jīng)進(jìn)入螺栓鍍鋅層。裂紋源腐蝕最為嚴(yán)重， 呈現(xiàn)沿晶形貌并伴有二次裂紋， 表面有腐蝕產(chǎn)物覆蓋， 說明裂紋起源跟腐蝕有關(guān)[8-9]。 高強度螺栓屬于應(yīng)力集中嚴(yán)重的多缺口零件， 該螺栓斷裂在與螺母嚙合的第一個螺紋牙底， 該處承受較大的軸向拉伸力和工作應(yīng)力，應(yīng)力集中較高。 應(yīng)力腐蝕發(fā)生的基本條件是敏感材料在特定腐蝕介質(zhì)中受拉應(yīng)力， 該應(yīng)力值要比沒有腐蝕介質(zhì)存在時材料斷裂所需要的應(yīng)力值小得多[10]。 綜合以上分析， 推斷螺栓斷裂類型為應(yīng)力腐蝕開裂， 材料脆性大及涂層失效是其斷裂的根本原因。

5 結(jié) 論

（1） 螺栓的材質(zhì)不滿足GB/T 3098.1—2010的要求， P 含量超出標(biāo)準(zhǔn)要求， 拉伸和沖擊試驗不合格， 拉伸和沖擊試樣的斷口平直， 未見明顯塑性變形區(qū)域， 說明材料脆性大， 螺栓中的非金屬夾雜物和微量的氫也會增加螺栓的脆性。

（2） 螺栓熱浸鋅層已大部分脫落， 表面腐蝕較為嚴(yán)重， 該涂層在海洋鹽霧環(huán)境中的防腐性能不佳。

（3） 螺栓與螺母嚙合處的第一個螺紋牙底存在較高的應(yīng)力集中， 涂層脫落后， 螺栓基體裸露在海洋腐蝕性大氣環(huán)境， 在長期腐蝕環(huán)境及應(yīng)力作用下， 螺栓發(fā)生了應(yīng)力腐蝕開裂。