液氯儲(chǔ)罐壓力表用螺栓斷裂失效分析
對(duì)液氯儲(chǔ)罐壓力表用螺栓的斷裂進(jìn)行了失效分析。通過(guò)對(duì)化學(xué)成分分析、斷口分析和金相檢驗(yàn)，探討了壓 力表用螺栓斷裂的主要原因，并提出了相應(yīng)的預(yù)防措施。
某裝置中液氯儲(chǔ)罐壓力表法蘭用螺栓材料為不 銹鋼SS304，A2-70型。螺栓暴露于大氣中，工作溫 度為環(huán)境溫度。該螺栓在服役三年后斷裂，造成泄 漏。為了分析螺栓斷裂的原因，避免類似的事件再 次發(fā)生，本文通過(guò)對(duì)斷裂螺栓的結(jié)構(gòu)、緊固工藝、受 力、成分、金相組織以及斷口進(jìn)行了分析，研究了螺 栓斷裂的起因及其斷裂機(jī)制，并提出了相應(yīng)的預(yù)防 措施。
1.實(shí)驗(yàn)分析
1.1螺栓成分分析
該法蘭上斷裂螺栓的圖片見(jiàn)圖1。在法蘭上共有四支螺栓，其中兩支斷裂，斷裂均發(fā)生在螺桿的非螺紋部分，如圖1(c)、(d)所示。
采用直讀光譜儀對(duì)螺栓及螺母進(jìn)行了化學(xué)成分 分析，結(jié)果如表1所示。可看出，雖然螺母的化學(xué)成 分基本符合SS304標(biāo)準(zhǔn)材料的要求，但是螺栓螺桿 部分的鉻、鎳含量均低于國(guó)標(biāo)中SS304的要求，錳 含量又高于SS304的要求。這就表明，斷裂的螺栓 為化學(xué)成分不合格螺栓。由于鉻、鎳可以提高鋼基體的電極電位，提高不銹鋼的耐腐蝕能力。同時(shí)，鉻、 鎳還可以促進(jìn)在鋼的表面形成一層穩(wěn)定的、完整的與鋼的基體結(jié)合牢固的純化膜，提高不銹鋼的耐腐 蝕性能。因此，這兩種元素是不銹鋼提高耐蝕性能的 關(guān)鍵元素。若不銹鋼中鉻、鎳的含量降低，必定降低 材料的耐腐蝕性。
1.2斷口分析
圖2為No.3和No.4螺栓斷口的宏觀形貌，圖3為體視顯微鏡下螺栓斷口的宏觀形貌。從圖2可看出， 斷口為脆性斷裂，沒(méi)有明顯的塑性變形。從圖3中可 以清晰地看出，整個(gè)斷口表面都被腐蝕產(chǎn)物（鐵銹 層)所覆蓋。
圖4為體視顯微鏡下觀察螺桿部分的點(diǎn)蝕坑和裂紋。可看出，在螺栓斷口附近的螺桿表面發(fā)現(xiàn)點(diǎn)蝕坑以及裂紋。另外，從圖4還可看出，螺桿表面粗糙 不平。
1.3金相檢查
金相檢驗(yàn)是斷裂分析中的重要手段。通過(guò)金相 檢驗(yàn)可以查明斷裂損壞的原因，例如某些由于材質(zhì) 缺陷或者環(huán)境介質(zhì)等因素所導(dǎo)致的破壞，需要通過(guò) 金相檢驗(yàn)來(lái)判別損壞的原因。同時(shí)，在對(duì)裂紋進(jìn)行檢 查時(shí)，裂紋尖端的試樣往往可以提供最有價(jià)值的信 息。這是由于裂紋尖端受環(huán)境介質(zhì)的影響較小，容易 判別裂紋擴(kuò)展路徑的方式。因此，本文中對(duì)斷裂的 螺栓進(jìn)行了金相檢查，如圖5所示，在端口部分沿 線1方向切下，沿線2將斷口表面垂直剖開(kāi)，可以觀 察到裂紋末端。
圖6為未浸蝕前裂紋的形貌。可以看出，裂紋擴(kuò) 展不是直線方向。試樣浸蝕后可看出，裂紋沿晶界擴(kuò) 展的特征更加明顯，如圖7所示。同時(shí)，從該圖中還 可看出，有大量的碳化物沿晶界分布。
2.斷裂分析
斷裂螺栓螺桿的化學(xué)成分中鉻、鎳的含量偏低， 錳、銅的含量偏高，不符合GBSS304的要求，為不合格的A2-70螺栓，這極大地降低了螺栓的耐蝕性。 同時(shí)，螺桿表面粗糙，有很多加工缺陷’這些都可以 成為點(diǎn)蝕，甚至是腐蝕裂紋的起始點(diǎn)。金相檢查結(jié) 果表明，有碳化物沿晶界分布，而裂紋均沿晶界擴(kuò) 展。這可能是因?yàn)槁菟ú牧线M(jìn)行熱處理時(shí)，由于熱處 理制度不當(dāng)，造成碳化物(Fe、Cr)aC6從奧氏體中析 出而分布在晶界上[5]。這種碳化物的鉻含量高于奧 氏體基體，它的析出消耗了晶界附近大量的鉻，而 消耗的鉻不能從晶粒中通過(guò)擴(kuò)散及時(shí)得到補(bǔ)充，因 為鉻的擴(kuò)散速度很慢，所以造成晶界附近的含鉻量 低于鈍化必須的限量，形成貧鉻區(qū)，因而鈍態(tài)遭到破 壞，提高了螺栓晶間腐蝕的敏感性。因此，在應(yīng)力和 腐蝕介質(zhì)(微泄漏的氯氣）的共同作用下，以晶間腐 蝕為起源，發(fā)展成應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，導(dǎo)致螺栓的斷裂。
3.結(jié)論及建議
螺栓的斷裂為應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，螺栓的化學(xué)成分不符合SS304要求，同時(shí)表面有加工缺陷造成斷裂源。建議用合格的A2-70更換所有的螺栓。在更換 之前，檢查螺栓的材料是否合格，或者采用碳鋼螺栓 涂富鋅漆代替不銹鋼螺栓。但是若采用碳鋼螺栓，必 須定期進(jìn)行涂漆維護(hù)。
