劉楠

（中國(guó)石油四川石化有限責(zé)任公司，四川 彭州 611930）

1 螺栓斷裂失效情況簡(jiǎn)介

四川石化丁二烯裝置蒸發(fā)罐V-1101頂部液位計(jì)法蘭上螺栓在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生斷裂失效，如圖1 所示，蒸發(fā)罐V-1101的操作參數(shù)見(jiàn)表1，螺栓材質(zhì)為合金鋼，螺栓性能等級(jí)為8.8級(jí)，螺栓規(guī)格M14×80mm，且其他設(shè)備上同批次同規(guī)格螺栓亦有斷裂情況發(fā)生。由于螺栓斷裂可能導(dǎo)致工藝介質(zhì)從液位計(jì)接管法蘭處泄漏，影響裝置的安全平穩(wěn)生產(chǎn)，故對(duì)斷裂失效件進(jìn)行取樣試驗(yàn)，綜合分析斷裂原因，為法蘭螺栓連接的可靠性提供技術(shù)依據(jù)。

圖1 法蘭螺栓斷裂情況

表1 蒸發(fā)罐V-1101 操作參數(shù)

2 分析依據(jù)

（1）GB/T 5782-2000《六角頭螺栓》。

（2）GB/T 3098.1-2010《緊固件機(jī)械性能 螺栓、螺釘和螺柱》。

（3）GB/T224-2008 《鋼的脫碳層深度測(cè)定法》。

（4）GB/T 228.1-2010 《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分:室溫試驗(yàn)方法》。

（5）GB/T 4340.1-2009 《金屬材料 維氏硬度試驗(yàn) 第1部分:試驗(yàn)方法》。

（6）GB/T 17359-1998《電子探針和掃描電鏡X 射線能譜定量分析通則》。

（7）GB/T 13298-1991《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》。

（8）中國(guó)特檢院質(zhì)量手冊(cè)。

（9）中國(guó)特檢院質(zhì)量體系文件CSEI/QM-2-24《失效分析項(xiàng)目控制程序》。

（10）中國(guó)特檢院質(zhì)量體系文件CSEI/QM-3-B21《事故分析/失效分析規(guī)則》。

3 試驗(yàn)分析

表2 試驗(yàn)內(nèi)容

3.1 宏觀檢查

對(duì)斷裂螺栓進(jìn)行外觀檢查發(fā)現(xiàn)螺栓表面附著腐蝕產(chǎn)物，斷裂位置發(fā)生在螺柱中部起始螺紋根部，螺栓斷口較平坦，未見(jiàn)明顯塑性變形，屬脆性斷口[1]，斷口上存在腐蝕，腐蝕產(chǎn)物呈紅褐色。

3.2 螺栓化學(xué)成分分析

對(duì)螺栓進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果見(jiàn)表3所示，根據(jù)分析結(jié)果，該螺栓的化學(xué)成分滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T3098.1-2010的要求，其中合金元素Cr含量將近為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定最小值的4倍。

表3 化學(xué)成分分析結(jié)果（%）

3.3 硬度測(cè)試

選取帶螺紋的螺栓截面（螺栓1）和不帶螺紋的截面（螺栓2）進(jìn)行維氏硬度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4，從表中可以看出帶螺紋的螺栓部位比不帶螺紋的螺栓部位硬度高，原因可能為螺紋加工硬化導(dǎo)致。與GB/T3098.1-2010 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值相比較，螺栓實(shí)測(cè)硬度值超標(biāo)。

表4 硬度測(cè)試結(jié)果

3.4 拉力實(shí)驗(yàn)

對(duì)螺栓進(jìn)行拉力試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5所示，從表中可以看出螺栓的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值。

表5 拉力試驗(yàn)結(jié)果

3.5 保證載荷試驗(yàn)

取一根使用過(guò)但未發(fā)生斷裂的相同螺栓進(jìn)行保證載荷試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。先進(jìn)行加載，達(dá)到保證載荷以后，保載15S，卸載后測(cè)量螺栓長(zhǎng)度，并觀察螺栓變形，與試驗(yàn)前進(jìn)行對(duì)比，判斷螺栓的力學(xué)性能，按8.8 級(jí)螺栓保證載荷66.7KN 進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)后螺栓保持完好。

表6 保證載荷試驗(yàn)結(jié)果

3.6 脫碳試驗(yàn)

采用金相法測(cè)量螺紋全脫碳層的深度，選取牙頂、腰部、牙根三個(gè)部位分別測(cè)量，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表7。從表中可以看出螺紋三個(gè)部位的脫碳層深度均大于標(biāo)準(zhǔn)GB/T3098.1-2010 規(guī)定的最大值15μm，螺牙均存在不同程度的脫碳，典型的脫碳形貌見(jiàn)圖2。

圖2 脫碳層形貌

表7 脫碳層測(cè)量結(jié)果（μm）

從圖2 螺紋金相照片上可以看出，螺牙腰部、牙根均存在裂紋，但裂紋均位于脫碳層，尚未貫穿到基體金屬。

3.7 增碳試驗(yàn)

螺栓試樣經(jīng)拋光后，選取4個(gè)位置采用硬度法測(cè)試增碳，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8，經(jīng)試驗(yàn)，螺栓試樣存在增碳。

表8 增碳試驗(yàn)結(jié)果（HV0.3）

3.8 金相組織

螺紋金相組織如圖3所示，從圖中可以看出，螺紋脫碳層金相組織為鐵素體，基體金屬金相組織為板條馬氏體。

圖3 金相組織

3.9 斷口掃描分析

對(duì)螺栓斷口采用電子掃描顯微鏡進(jìn)行觀察，從圖4中可以看出，開(kāi)裂形式以一條主裂紋向前擴(kuò)展；斷口表面已被腐蝕，但開(kāi)裂未見(jiàn)明顯塑性變形，從斷口形貌可以判斷螺栓的斷裂為脆性斷裂。

圖4 裂紋形貌

3.10 斷口能譜分析

對(duì)螺栓斷口表面進(jìn)行能譜分析，能譜分析位置及各元素相對(duì)含量見(jiàn)圖 5，能譜分析元素半定量結(jié)果見(jiàn)表9。從分析結(jié)果可以看出，斷口表面主要含有Fe、O、C 等元素。

表9 能譜半定量分析結(jié)果（Wt%）

圖5 斷口能譜分析位置及元素分析結(jié)果

4 綜合分析

螺栓斷裂部位發(fā)生在中間起始螺紋根部，與螺栓的受力相關(guān)，由于該螺栓兩頭為螺紋，兩頭緊固時(shí)，中間起始螺紋根部承受的緊固拉應(yīng)力和剪切應(yīng)力作用較大，因此該部位較薄弱，若在緊固螺栓時(shí)預(yù)緊力過(guò)大，將使該部位承受的應(yīng)力進(jìn)一步加大。

根據(jù)化學(xué)成分分析結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T3098.1-2010 的要求，但合金元素Cr 含量將近為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定最小值的4倍，合金元素Cr 含量的提高，可以提高材料的強(qiáng)度，這與硬度測(cè)試結(jié)果和拉力試驗(yàn)結(jié)果吻合，硬度測(cè)試結(jié)果和拉力試驗(yàn)結(jié)果都遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)GB/T3098.1-2010 規(guī)定值，其中硬度值存在超標(biāo)。

保證載荷試驗(yàn)表明在66.7KN 的載荷下，螺栓的強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

對(duì)螺紋的牙頂、腰部和牙根3個(gè)部位脫碳層進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果表明該螺紋脫碳層的厚度遠(yuǎn)超標(biāo)準(zhǔn)GB/T3098.1-2010 規(guī)定的最大值15μm，脫碳層厚度超標(biāo)會(huì)降低螺紋強(qiáng)度并可能造成其失效。在進(jìn)行脫碳層形貌觀察時(shí)發(fā)現(xiàn)，螺牙腰部、牙根均存在裂紋，這些裂紋均位于脫碳層，尚未貫穿到基體金屬，但有可能貫穿到基體金屬，導(dǎo)致基體金屬的起裂，尤其是牙根部位的裂紋，一旦起裂就有可能導(dǎo)致擴(kuò)展斷裂。

增碳結(jié)果表明螺栓表面存在增碳，表面增碳會(huì)提高表面硬度，可能造成脆斷或降低抗疲勞性。

對(duì)螺紋的金相組織進(jìn)行了觀察，得知螺紋脫碳層金相組織為鐵素體，基體金屬金相組織為板條馬氏體，由于馬氏體組織應(yīng)力較大，因此該螺栓的強(qiáng)度較高，但塑性相對(duì)較差，這在硬度測(cè)試結(jié)果上也得到體現(xiàn)，斷口未發(fā)現(xiàn)明顯塑性變形，呈脆性斷裂特征，這也與馬氏體的塑性相對(duì)較差有關(guān)。

螺栓斷口掃描顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)開(kāi)裂以一條主裂紋向前擴(kuò)展，未見(jiàn)韌窩，符合脆性斷裂特征。

5 結(jié)論與對(duì)策

螺栓的螺紋牙根存在裂紋擴(kuò)展到基體金屬，由于螺栓強(qiáng)度較高塑性較差，加上表面增碳使螺栓在中間起始螺紋根部薄弱部位發(fā)生脆性斷裂。

針對(duì)此種情況應(yīng)采取如下相應(yīng)對(duì)策：

（1）提高螺栓的熱處理質(zhì)量，防止脫碳層厚度超標(biāo)，同時(shí)避免發(fā)生表面增碳。

（2）緊螺栓的方法和預(yù)緊力的大小均應(yīng)按相關(guān)規(guī)定進(jìn)行，防止預(yù)緊力過(guò)大、各螺栓的預(yù)緊力不均勻等使螺栓承受的緊固拉應(yīng)力和剪切應(yīng)力作用過(guò)大，從而萌生疲勞或蠕變裂紋。

（3）日常巡檢過(guò)程中，加強(qiáng)螺栓的檢查，尤其是同批次的螺栓，檢查內(nèi)容包括螺栓表面腐蝕狀況、螺紋是否完好、松動(dòng)、變形、斷裂等。

（4）定期對(duì)螺栓進(jìn)行防腐，可涂刷防銹漆或使用涂層油脂進(jìn)行腐蝕防護(hù)，防止腐蝕與應(yīng)力的疊加效應(yīng)。