張充霖 (中海石油技術(shù)檢測(cè)有限公司, 天津 300452)

0 引言

隨著海洋石油工業(yè)的不斷發(fā)展，壓力容器和工藝管線數(shù)量不斷攀升，對(duì)其可靠性和安全性也提出越來越高的要求。法蘭連接是最常見的密封連接形式，而螺栓是確保法蘭連接密封性、安全性的重要緊固件。若發(fā)生失效，將直接導(dǎo)致對(duì)環(huán)境的污染和資源的浪費(fèi)，甚至發(fā)生重大安全事故如火災(zāi)、爆炸等，因此需要對(duì)失效螺栓開展系統(tǒng)性研究，分析缺陷性質(zhì)、成因，可為螺栓制造工藝以及使用者日常管理提供技術(shù)支持。

1 螺栓失效分析技術(shù)

失效分析技術(shù)是對(duì)已失效器材進(jìn)行的一種事后檢查，使用的技術(shù)手段包括聲學(xué)、光學(xué)、力學(xué)、化學(xué)、電學(xué)等，目的在于驗(yàn)證所報(bào)告的失效，確定失效的模式，找出失效的機(jī)理。而對(duì)于螺栓來說，可采用宏觀檢查、元素成分分析法、硬度試驗(yàn)、顯微觀測(cè)等技術(shù)，最后綜合各試驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行失效機(jī)理分析。

分析的流程為：（1）宏觀檢查；（2）元素成分分析；（3）硬度試驗(yàn)；（4）顯微觀測(cè)；（5）綜合分析。

2 案例分析

文章以南海某平臺(tái)的工藝管線放空閥的下閥蓋上的3條斷裂失效螺栓為例開展分析，螺栓試件如圖1所示。根據(jù)失效螺栓的規(guī)格、斷口形貌和工作環(huán)境，綜合運(yùn)用火花放電原子發(fā)射光譜技術(shù)、硬度試驗(yàn)分析技術(shù)、金屬微觀組織分析技術(shù)以及熱場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微技術(shù)等手段，對(duì)失效螺栓開展包括宏觀檢查、元素成分分析、硬度測(cè)試、顯微組織分析、斷口及腐蝕產(chǎn)物分析。 綜合以上檢測(cè)結(jié)果，對(duì)造成螺栓的失效原因進(jìn)行分析判斷。

2.1 宏觀檢查

圖1 失效螺栓照片

上述三根螺栓中，有兩根屬于根部斷裂，其余一根為中間斷裂。發(fā)現(xiàn)斷口為斜斷口，表面較粗糙，有明顯的腐蝕痕跡，斷口無明顯的塑性變形，應(yīng)屬于宏觀脆性斷口。螺帽上寫有“A2-70”的字樣，屬于不銹鋼螺栓，抗拉強(qiáng)度不低于700 MPa，其材料性能與304不銹鋼近似[1]。

2.2 化學(xué)成分分析

本次試驗(yàn)依據(jù)GB/T 11170—2008《不銹鋼 多元素含量的測(cè)定 火花放電原子發(fā)射光譜法（常規(guī)法）》對(duì)螺栓進(jìn)行化學(xué)成分分析[2]，結(jié)果如表1所示。

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，螺栓的Mn元素含量遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)要求，而Ni元素含量低于標(biāo)準(zhǔn)要求，因此該螺栓的材質(zhì)不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3 硬度試驗(yàn)

硬度試驗(yàn)是檢測(cè)材料局部抵抗硬物壓入其表面能力的重要方法。本次試驗(yàn)采用洛式硬度計(jì)進(jìn)行硬度測(cè)量，依據(jù)GB/T 230.1-2018《金屬材料 洛氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》[3]，硬度測(cè)點(diǎn)位置為螺栓的帽心部，測(cè)點(diǎn)數(shù)量為3個(gè)，硬度值分別為：37.8 HRC、35.7 HRC、39.5 HRC，由上述數(shù)值可以看出，該螺栓的硬度比較均勻。

表1 化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

2.4 金相組織分析

金相組織分析是研究金屬及合金內(nèi)部組織及結(jié)構(gòu)的一種常見實(shí)驗(yàn)方法。在制備螺栓微觀金相觀測(cè)試樣的過程中，發(fā)現(xiàn)該螺栓中存在一定程度的夾渣，如圖2所示。依據(jù)GB/T 13298-2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》對(duì)螺栓材質(zhì)進(jìn)行微觀金相檢測(cè)[4]，如圖3所示，對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)圖譜，可以看出微觀組織為奧氏體，這也再次證實(shí)了前面宏觀檢查中對(duì)螺栓牌號(hào)的判斷。

圖2 螺栓夾渣

圖3 螺栓金相圖片

表2 夾雜物成分

圖4 失效螺栓的蝕坑中夾渣物能譜分析

2.5 掃描電鏡檢測(cè)

掃描電鏡檢測(cè)法是利用掃描電鏡的聚焦電子束在試樣表面逐點(diǎn)掃描成像，用于觀察試樣的微觀形貌。為了確定夾雜物的成分及失效原因，采用掃描電子顯微鏡觀察及能譜（EDS）分析對(duì)失效螺栓的微觀組織和表面腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行了測(cè)定。通過圖4的能譜圖分析，確定蝕坑內(nèi)的夾雜物為硫化錳，表2為夾雜物能譜分析的元素成分?jǐn)?shù)值。圖5和圖6分別為螺栓失效表面處腐蝕產(chǎn)物的形貌和能譜圖，表3為表面腐蝕產(chǎn)物的能譜分析數(shù)值。從圖5和表3可以得出，該腐蝕產(chǎn)物中含有錳、硫、鈉、鎂、鈣、碳、氯、氧等元素，由于氯離子的存在，不銹鋼材質(zhì)構(gòu)件極容易產(chǎn)生點(diǎn)腐蝕現(xiàn)象。

3 分析結(jié)論

綜合以上試驗(yàn)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，該螺栓的材質(zhì)為高錳型奧氏體不銹鋼，該類不銹鋼在成分上，用錳替代了鎳鉻型不銹鋼中的鎳，從而導(dǎo)致該類鋼材在制備中極易形成硫化錳夾雜，進(jìn)而使材料本身的塑性降低，且容易開裂。另一方面，硫化錳在氯離子存在的情況下極易被腐蝕[1]，在基體上形成點(diǎn)腐蝕，又由于氯化物水解的結(jié)果，使點(diǎn)蝕坑中的介質(zhì)酸度增加，導(dǎo)致陽極基體金屬溶解加快，且螺栓屬于受力構(gòu)件，在應(yīng)力與腐蝕環(huán)境的雙重作用下，最終導(dǎo)致失效斷裂。

圖5 失效螺栓的表面形貌

圖6 失效螺栓的表面能譜分析

表3 失效螺栓的表面成分

4 結(jié)語

通過對(duì)斷裂螺栓采用元素成分分析、硬度試驗(yàn)、金相組織分析、顯微觀測(cè)分析等技術(shù)開展螺栓斷裂失效分析，獲得了螺栓的失效機(jī)理，這也為螺栓制造工藝和設(shè)備日常管理提供技術(shù)支持。