吳培毅 孫 濤 高 楠

（1. 中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516086；2. 沈陽中科韋爾腐蝕控制技術(shù)有限公司，遼寧 沈陽 110000）

0 引言

某石化公司加氫裝置閥門壓蓋泄漏介質(zhì)，切除后發(fā)現(xiàn)壓蓋螺栓斷裂。為查明斷裂的原因，對(duì)其進(jìn)行了腐蝕失效分析，以便采取相應(yīng)的措施。

工作環(huán)境為：設(shè)計(jì)溫度為280℃，設(shè)計(jì)壓力為8.8MPa；操作溫度為202℃，操作壓力為7.9MPa。內(nèi)部介質(zhì)含有一定量的硫化氫。斷裂螺栓長約3.8cm，直徑約11mm，螺紋長度約2.2cm。螺栓表面有輕微銹蝕，螺紋保持完好，螺帽光亮。斷裂部位位于光桿部位，呈斜面狀，表面凹凸不平。

1 失效分析

1.1 螺栓的宏觀、低倍分析

斷裂螺栓簡單清理后，進(jìn)行表觀檢測(cè)及宏觀低倍顯微分析。螺栓表面覆蓋有一層褐色氧化物。表面凹凸不平，中間部位顏色偏深，為先斷裂區(qū)域。

采用緩蝕劑+HCl短暫清理表面氧化物后，觀察表面形貌（如圖1所示）所示。斷口部位表面凹凸不平，較低處呈現(xiàn)解理狀形貌。斷口未見明顯的機(jī)械損傷及塑性變形，也未見疲勞痕跡及明顯組織撕裂痕跡。放倍數(shù)較高時(shí)可以看到斷口處有微小不規(guī)則裂紋。

圖1 壓蓋螺栓的宏觀形貌及螺栓的斷口形貌

1.2 材質(zhì)分析

從待檢樣品上切取塊狀樣品，對(duì)其材質(zhì)進(jìn)行化學(xué)分析。由分析結(jié)果對(duì)照表明，待檢試樣的材質(zhì)成分符合305不銹鋼（1Cr18Ni12）的標(biāo)準(zhǔn)要求，如表1所示。

1.3 金相檢驗(yàn)

將螺栓側(cè)面加工成金相試樣，封裝后，經(jīng)預(yù)磨、拋光，蝕刻5s后在顯微鏡下觀察，分析其金相組織形貌。螺栓偏中心部位正常金相組織照片（如圖2所示）。中間部位正常金相組織為奧氏體組織，晶粒邊界清晰可見?？拷吘壊课患皵嗔巡课痪Я＿吘売忻黠@缺陷，為碳化物在晶界部位偏析，存在明顯敏化傾向。沿晶粒邊界出現(xiàn)明顯裂紋，呈現(xiàn)明顯的沿晶開裂趨勢(shì)。

圖2 螺栓偏中心部位正常金相組織照片

螺栓斷口部位的金相組織照片（如圖3所示）。圖中斷口處凹凸不平，為晶粒脫落造成表面缺陷。靠近斷口處金相組織晶粒邊界清晰，個(gè)別區(qū)域明顯見到大量裂紋，均為沿晶開裂。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，螺栓斷口處的金相組織敏化程度為三類-溝狀組織。

圖3 螺栓斷口部位金相組織照片

1.4 硬度檢測(cè)分析

對(duì)斷裂螺栓進(jìn)行硬度檢測(cè)。載荷1kg，加載時(shí)間15s。該材料硬度值在HV1.0/15s接近300，屬于高硬度螺栓，其結(jié)果如表2所示。

表2 硬度測(cè)量結(jié)果

1.5 電鏡及能譜分析

使用將螺栓斷口部位簡單清理后，采用日本日立公司生產(chǎn)型號(hào)為S-4800Ⅱ型掃描電鏡對(duì)其形貌和能譜進(jìn)行分析。其結(jié)果如下圖，能譜分析結(jié)果如表3所示。

表3 能譜測(cè)量結(jié)果

螺栓在掃描電鏡下50倍的顯微照片（如圖4所示）。圖4中斷裂面凹凸不平，個(gè)別區(qū)域顏色較深。邊緣部位有輕微撕裂痕跡。

圖4 螺栓斷口50倍的顯微照片

圖5 邊緣部位的形貌照片

下部邊緣部位（最低位置）的顯微照片。照片中斷口呈冰糖狀結(jié)構(gòu)，晶粒大量脫離基體，為典型脆性斷裂形貌。從照片可以發(fā)現(xiàn)，大塊的晶粒之間有明顯的縫隙，對(duì)斷裂部位進(jìn)行能譜檢查，未發(fā)現(xiàn)典型的Cl、S等腐蝕性介質(zhì)元素見表3中對(duì)應(yīng)的譜圖1～3數(shù)據(jù)。上部邊緣部位的顯微照片。與下部邊緣部位相似，均呈現(xiàn)解理狀形貌，有較多的二次裂紋和孔洞。大量晶粒晶界清晰，晶界邊緣縫隙較大，容易從基體脫落。

左側(cè)邊緣臺(tái)階狀部位的顯微照片（如圖6所示）。照片中晶粒明顯出現(xiàn)高低不平的臺(tái)階狀特征，為金屬大面積斷裂時(shí)的形貌。但未見明顯的韌窩及疲勞貝狀紋，能譜分析儀未檢測(cè)出腐蝕性元素見表3對(duì)應(yīng)的譜圖4～5元素及含量。該處組織仍呈現(xiàn)冰糖狀解理形貌特征。

圖6 左側(cè)邊緣臺(tái)階狀部位形貌照片

斷口中心部位的顯微照片。斷口中心部位晶粒有輕微的受力拉伸痕跡，晶粒完整度較邊緣部位稍差，但仍能分辨出整個(gè)晶粒。能譜分析未檢測(cè)出腐蝕性元素見表3對(duì)應(yīng)的譜圖6元素及含量。

2 分析與討論

2.1 工藝分析

現(xiàn)場(chǎng)閥門壓蓋螺栓工作環(huán)境為：設(shè)計(jì)溫度為280℃，設(shè)計(jì)壓力為8.8MPa；操作溫度為202℃，操作壓力為7.9MPa。內(nèi)部介質(zhì)含有一定量的硫化氫，但主要使用環(huán)境為露天使用，與空氣中接觸。該螺栓能接觸到的腐蝕介質(zhì)主要包括大氣環(huán)境中的水蒸氣、游離的氯離子及少量大氣污染物等，有可能對(duì)螺栓的開裂起到加速作用。另外現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過程中管線滴、漏的介質(zhì)等也可能會(huì)對(duì)螺栓污染。

根據(jù)斷口部位的能譜分析結(jié)果，斷裂部位未發(fā)現(xiàn)腐蝕性介質(zhì)，如氯、硫等。螺栓表面有輕微銹蝕，不嚴(yán)重。螺帽光潔，螺紋保持完好，螺帽可以自由旋轉(zhuǎn)。因此，螺栓斷裂的主要原因與其使用環(huán)境關(guān)系不大。

螺栓的工作條件溫度接近300℃，操作壓力較大。在長期運(yùn)行服役過程中，螺栓受到拉伸應(yīng)力的長期作用，對(duì)材料的強(qiáng)度要求較高。而在維修檢驗(yàn)過程中，螺栓的拆卸過程中，扭曲應(yīng)力考驗(yàn)材料的韌性。而在安裝、拆卸過程中操作失誤造成的機(jī)械損傷，會(huì)加速材料開裂與失效。如果現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境由于進(jìn)料或靠近泵體等發(fā)生規(guī)則或不規(guī)則震動(dòng)，長期工作產(chǎn)生的大量應(yīng)力容易造成螺栓疲勞斷裂。該螺栓失效分析斷口形貌顯示主要為脆性斷裂，未發(fā)現(xiàn)疲勞斷裂的典型特征。

2.2 材質(zhì)分析

該斷裂螺栓選用材質(zhì)經(jīng)過成分分析為1Cr18Ni12，無磁性，疑似為SUS305不銹鋼。SUS305是奧氏體不銹鋼，相較于304不銹鋼（0Cr18Ni9）而言，材質(zhì)成分中鎳含量較高，因此具有良好的強(qiáng)度和韌性；焊接性良好；冷加工折彎性能良好；經(jīng)過熱處理后發(fā)生硬化；其冷、熱加工性和冷成型性以及焊接性能均為優(yōu)良，無磁性。因此經(jīng)常用于加工制作成電子部件用非磁性環(huán)境，還可以深加工冷軋成形制成各種生活用品如西餐具等，以及化學(xué)容器、機(jī)械設(shè)備部件、耐熱設(shè)備部件、低溫容器部件等，如螺栓、容器等及工業(yè)零件。

不銹鋼手冊(cè)中指出，奧氏體不銹鋼中鎳的添加具有穩(wěn)定奧氏體的作用，還可以擴(kuò)大奧氏體相區(qū)。奧氏體不銹鋼中，隨著鎳含量的增加，殘余的鐵素體可完全消除，并顯著降低σ相形成的傾向；同時(shí)馬氏體轉(zhuǎn)變溫度降低，但是鎳含量的增加會(huì)降低碳在奧氏體不銹鋼中的溶解度，從而使碳化物析出傾向增強(qiáng)。

本次失效分析的斷裂螺栓正常部位有清晰的奧氏體析出相，但由于鎳含量較高，碳析出在奧氏體晶界處，造成晶界敏感性升高，進(jìn)而發(fā)生沿晶斷裂。

一般條件下，在鋼中可能發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的鎳含量范圍內(nèi)，隨著鎳含量的增加，鋼的韌性進(jìn)一步改善，熱力學(xué)穩(wěn)定性增加。鎳還可顯著降低奧氏體不銹鋼的冷加工硬化傾向，這主要是由于奧氏體穩(wěn)定性增大，減少以至消除了冷加工過程中的馬氏體轉(zhuǎn)變。同時(shí)鎳含量的提高有利于奧氏體不銹的冷加工成形性能，提高其熱加工性能[1]。

失效分析發(fā)現(xiàn)螺栓的顯微硬度值接近300，高于一般的304不銹鋼，這與其材質(zhì)成分中較高的鉻含量及鎳含量有關(guān)。

2.3 綜合分析

結(jié)合斷口部位形貌特征及材質(zhì)分析結(jié)果，壓蓋螺栓斷裂主要是由于材料缺陷、使用環(huán)境應(yīng)力等引起的脆性晶間腐蝕開裂。

由金相分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，斷裂螺栓選用材質(zhì)為1Cr18Ni12，屬于典型的奧氏體不銹鋼。但該材料合金成分中鎳含量較高，造成冷加工及后續(xù)熱處理過程中，碳極容易析出在奧氏體晶界處，造成晶界敏感性升高，容易發(fā)生沿晶開裂。在斷口部位縱向金相檢查中發(fā)現(xiàn)，材料敏化為三類-溝狀組織。奧氏體不銹鋼的敏化會(huì)降低其在腐蝕性介質(zhì)中的耐蝕性能和機(jī)械性能[2]。掃描電鏡檢查發(fā)現(xiàn)斷裂面呈典型的冰糖狀形貌，具有明顯的沿晶開裂的特征。在外部拉伸應(yīng)力的作用下，發(fā)生整體脆性斷裂。螺栓基體組織發(fā)生敏化與螺栓的加熱成型過程有關(guān)。若螺栓成型時(shí)的高溫加熱（450～850℃）時(shí)間較長，就容易導(dǎo)致其發(fā)生敏化現(xiàn)象。

螺栓成型后未進(jìn)行固溶化處理，或固溶處理溫度不高、時(shí)間較短，碳化物未經(jīng)充分溶解，合金化程度較差。而熱處理溫度低，鉻擴(kuò)散速度減慢，碳化鉻沉淀加快，更加速了貧鉻區(qū)的形成，同時(shí)沿晶界分布的碳化鉻會(huì)加劇晶界貧鉻，鉻含量降到一定數(shù)量（低于12%），貧鉻區(qū)機(jī)械強(qiáng)度和電化學(xué)性能均與正常組織差異較大，在外界應(yīng)力或腐蝕介質(zhì)的作用下，造成嚴(yán)重的晶間腐蝕現(xiàn)象[3]。

該斷裂螺栓的硬度值較高，強(qiáng)度值高的時(shí)候也降低了材料的韌性，增加了材料發(fā)生脆性斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié)論及建議

3.1 結(jié)論

（1）壓蓋螺栓所選用材質(zhì)為1Cr18Ni12，屬于典型的奧氏體不銹鋼。螺栓金相組織為單相奧氏體，有敏化傾向，為三類—溝狀組織。螺栓硬度值較高，顯微硬度達(dá)到300左右；

（2）壓蓋螺栓的斷裂原因是由于材料缺陷、使用環(huán)境應(yīng)力等引起的脆性晶間腐蝕開裂；

（3）螺栓的斷裂失效是沿晶的脆性斷裂。螺栓材料的敏化及螺栓受到的拉應(yīng)力等是造成螺栓發(fā)生沿晶應(yīng)力腐蝕斷裂的主要原因。其中螺栓的敏化與加熱成型過程不當(dāng)有關(guān)，且成型后未進(jìn)行固溶化處理或者處理不徹底。

3.2 建議

（1）材質(zhì)升級(jí)。可以考慮升級(jí)為316L或2205雙相鋼材質(zhì)，避免大氣環(huán)境介質(zhì)對(duì)螺栓的影響；

（2）增加質(zhì)量檢驗(yàn)。閥門制造廠應(yīng)加強(qiáng)螺栓制作加工質(zhì)量，防止敏化組織生成，增加開裂風(fēng)險(xiǎn)。使用單位對(duì)安裝在重要位置的閥門及螺栓等配件，加強(qiáng)入庫前檢驗(yàn)，認(rèn)真填寫入庫檢驗(yàn)報(bào)告單。對(duì)重要部位的零組件，委托第三方對(duì)閥體螺栓及填料壓蓋螺栓進(jìn)行金相檢驗(yàn)等；

（3）防腐處理。建議使用特氟龍等經(jīng)過表面處理的螺栓，這種類型的螺栓可有效隔絕大氣中引起應(yīng)力腐蝕介質(zhì)的接觸[4]，或在螺栓光桿部位增加其他防護(hù)涂層。