天然氣閘閥法蘭螺釘斷裂失效分析
某天然氣公司對管線進行檢修時，發(fā)現(xiàn)其閘閥矩形法蘭的部分緊固螺釘發(fā)生斷裂。該閘閥埋在地下，閥內(nèi)壓力為0.4MPa，介質(zhì)為天然氣，螺釘?shù)膹姸鹊燃墳?2.9級，屬高強度螺釘。為探討螺釘斷裂的原因，進行了下列檢查與分析。
1、檢查與分析
1.1、螺釘斷口宏觀檢查
用丙酮和超聲波對螺釘斷口進行清洗，除去其表面的雜物及污漬，然后進行宏觀檢查，發(fā)現(xiàn)螺釘斷口均與其軸線垂直，斷裂前無明顯塑性變形，為脆性斷裂。
1.2、螺釘化學成分分析
將螺釘送至湖北省冶金產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗站理化實驗室進行化學成分分析，檢測結(jié)果如表1所示，參照廠家提供的標準與GB/T3077中35CrMoA材料要求，可以看到用化學法測定的螺釘材料化學成分符合35CrMoA材料的要求。
表1 螺釘化學成分
1.3、螺釘金相組織分析
根據(jù)湖北省冶金產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗站理化實驗室對螺釘材料的金相組織分析得知，螺釘?shù)慕鹣嘟M織為回火索氏體，如圖1所示。
圖1 螺釘金相組織
1.4、螺釘斷口微觀形貌分析
對發(fā)生事故的閘閥上的5個斷裂螺釘取樣(編為1～5號)，使用掃描電鏡分別對螺釘斷口進行觀察。1號螺釘斷口的微觀形貌如圖2所示，其中圖2(a)、(b)、(c)為1號螺釘邊緣區(qū)的微觀形貌，從圖中可以看出，晶界間的微裂紋清晰可見，是明顯的晶間破壞，這些區(qū)域斷面呈冰糖狀。1號螺釘中心區(qū)微觀形貌如圖2(d)所示，韌性特征非常明顯，微觀組織形態(tài)非常完美，呈菊花狀，說明螺釘?shù)奈⒂^組織狀態(tài)是從心部到外表面逐步變差的。其他4個螺釘斷口的微觀形貌都與1號螺釘相似，晶間開裂情況嚴重，存在著多處晶間裂紋及連通性裂紋。
圖2 1號螺釘斷口的SEM形貌
1.5、螺釘軸剖面微觀分析
為研究螺釘斷口晶間裂紋產(chǎn)生的原因，將1號螺釘沿軸剖面剖開，使用掃描電鏡進行分析。如圖3所示，螺釘材料晶間開裂現(xiàn)象嚴重，說明材料內(nèi)部已經(jīng)存在微裂紋等缺陷。
圖3 1號螺釘軸剖面的SEM形貌
1.6、螺釘斷口能譜分析
對以上5個斷裂螺釘?shù)臄嗫谏舷嚓P(guān)點進行能譜分析，結(jié)果如表2所示。從1、2號螺釘微區(qū)能譜分析可知，其微區(qū)元素中含有較高的Si、S等雜質(zhì)(Si：3.26，0.74;S：0.34，4.40，Si正常值應(yīng)小于0.30%，S正常值應(yīng)小于0.035%)，還有Ca甚至是Cl.這些元素都是在晶間開裂非常嚴重的區(qū)域測得的，硫，磷等元素的偏析形成夾雜，元素結(jié)晶分布不均，使材料的脆性增強，有利于晶間裂紋缺陷的產(chǎn)生。說明“雜質(zhì)偏析”極有可能是引起這兩個螺釘脆性斷裂的原因。又如4、5號螺釘?shù)奈^(qū)元素分析結(jié)果中Si、S等雜質(zhì)含量非常低，而Cr、Mn的含量非常飽滿，未在化合物中損耗、流失。那么這種斷裂有可能是“氫脆”引起的斷裂。
表2 螺釘斷口的能譜分析
2、綜合分析
綜合以上各種分析可知，螺釘?shù)臄嗔褳榇嘈詳嗔眩捎诼葆斘⒂^上存在著晶間開裂缺陷，其斷裂為晶間裂紋擴展到一定程度時導致的脆性斷裂。
雖然螺釘材料化學成分分析數(shù)據(jù)與廠家提供的標準相符，但是螺釘斷口能譜分析發(fā)現(xiàn)材料中雜質(zhì)分布不均，某些部位硅、硫、磷等雜質(zhì)含量偏高，有利于晶間裂紋缺陷的形成。同時，通過螺釘軸剖面微觀分析可知，螺釘材料內(nèi)部已經(jīng)存在微裂紋等缺陷。生產(chǎn)廠家螺釘?shù)脑O(shè)計強度為最高等級，高強度鋼螺釘?shù)闹谱鞴に嚶肪�一般為：盤條→冷拔→球化退火→機械除鱗→酸洗→冷拔→冷鐓成形→搓齒→熱處理，其中酸洗與搓齒兩個環(huán)節(jié)易產(chǎn)生缺陷，酸洗后如不注意去氫處理，有可能引發(fā)材料的氫脆破壞;搓齒加工會引起材料變形，可能會在螺紋的表面部分產(chǎn)生劃傷或裂紋，從而導致螺釘?shù)拇鄶唷Ｂ葆敳牧蠟?5CrMnA，這種材料在無缺陷和較小拉應(yīng)力條件下具有很強的抵抗硫化氫應(yīng)力腐蝕的能力。但在螺釘存在缺陷的情況下，應(yīng)研究如何防止裂紋擴展而引起螺釘?shù)拇鄶唷?/p>
3、結(jié)語
斷裂螺釘存在嚴重的晶間裂紋缺陷，其斷裂為晶間裂紋擴展、貫通到一定程度時導致的脆性斷裂。螺釘斷面某些部位硅、硫、磷等雜質(zhì)含量偏高，“雜質(zhì)偏析”有利于晶間裂紋缺陷的形成。同時，廠家選用12.9級高強度螺釘，高強度螺釘制作工藝過程處理不當，有氫殘余，螺釘材料內(nèi)部已經(jīng)存在微裂紋等缺陷，所以螺釘?shù)臄嗔咽怯?ldquo;氫脆”引起的，這也是螺釘脆斷的主要因素。
通過計算，采用強度等級為6.8級的普通螺釘能夠滿足閘閥使用時的強度要求，同時6.8級的普通螺釘避免了酸洗等制作工藝過程，降低了螺釘制作中，氫殘余及產(chǎn)生微觀裂紋等缺陷的風險，建議更換6.8級的普通螺釘。
