循環水風機葉片U型螺栓斷裂分析

(中海油東方石化有限責任公司，海南 東方 572600)

某石化廠地處華南沿海地區，屬于熱帶季風海洋性氣候。循環水冷卻塔為機械通風逆流式冷卻塔，鋼筋混凝土框架結構。冷卻塔風機采用軸流風機，每臺風機有6片高效機翼型加強環氧玻璃鋼葉片。葉片由2只U型螺栓固定在風機輪轂上。U型螺栓規格為M24，材質為06Cr19Ni10不銹鋼。

例行檢查時，操作人員發現其中一臺風機運行異常。緊急停機檢修發現其中一支葉片松動，靠近風葉的一只U型螺栓已斷裂，所幸葉片未甩出，風筒也未見損傷。為了防止此類故障再次發生造成更大的損失，有必要弄清楚風機U型螺栓斷裂的原因并制定有效的預防措施。

1 檢測分析

1.1 宏觀檢查

斷裂的U型螺栓宏觀形貌見圖1。由圖1可以看出， U型螺栓上有三處斷口(斷口A,B和C)，斷口A和B之間有一小段已缺失。斷裂位置均位于U型螺栓彎曲段與直柄段的過渡處，螺紋區域未見有裂紋出現。螺栓斷口垂直于其軸線，斷口處未見明顯的塑性變形，為脆性斷裂。

斷口A和B特征相同，即裂紋起源于螺栓表面并向內擴展，在裂紋擴展區有弧形的貝紋線，最后瞬斷區可見剪切唇，具有疲勞斷口的特征(見圖2)。

在螺栓表面的斷口裂紋源附近，還有與斷口平行的裂紋存在，且裂紋處均有腐蝕發生。在斷口旁邊還有大小不等的裂紋存在，這些裂紋以垂直螺栓軸線方向居多，也有與螺栓軸線成45°角的。在產生裂紋區域的螺栓表面有銹蝕產物附著。

初步認為，U型螺栓的斷裂失效具有應力腐蝕和腐蝕疲勞破壞的特征。

圖1 U型螺栓斷裂的宏觀形貌

1.2 材質化學成分分析

使用光譜儀對螺栓材質進行化學成分分析，結果見表1。由表1可見，U型螺栓材質成分與相關標準進行對比，C含量較高，而Cr含量偏低，不符合技術要求[1-2]。

表1 U型螺栓的化學成分 w,%

1.3 金相分析

在螺栓斷口C處切金相樣品，經預磨、拋光和腐刻后，在顯微鏡下觀察,結果見圖3。螺栓金相組織為單相奧氏體，敏化嚴重，有晶間腐蝕傾向。采用草酸電解浸蝕法檢測，其浸蝕金相組織為三類-溝狀組織[3]。金相組織中未見晶粒組織有冷加工變形。裂紋起源于U型螺栓表面，向內沿晶擴展，有分叉，具有晶間應力腐蝕開裂的特征。

圖3 斷口C金相組織

將螺栓斷口B縱向剖開，觀察裂紋源區及裂紋擴展區的金相組織,發現：斷口的裂紋源區高低起伏較大，而斷口的裂紋擴展區較為平坦。在斷口B的裂紋源區及裂紋擴展區，均有二次沿晶裂紋存在。裂紋源區的二次沿晶裂紋擴展方向基本與斷口裂紋擴展方向平行；裂紋擴展區的二次沿晶裂紋擴展方向與斷口裂紋擴展方向垂直。

通過金相分析，確認螺栓斷裂屬于沿晶應力腐蝕開裂。

1.4 掃描電鏡和能譜分析

使用掃描電鏡(SEM)，對U型螺栓斷口A和斷口C進行觀察，對腐蝕產物進行能譜分析(EDS)，結果見圖4。

圖4 斷口A裂紋源區的SEM+EDS

斷口A上有許多的腐蝕產物，能譜分析表明斷口上有腐蝕性元素Cl，S和O等。斷口A的裂紋源區為沿晶裂紋。在裂紋擴展區低倍下觀察到的疲勞弧線(即貝紋線)，是腐蝕產物聚集量較多處。在瞬斷區，可見螺栓最后剪切斷裂時形成韌窩的痕跡。

斷口C只有裂紋源區，沒有裂紋擴展區和瞬斷區。裂紋產生于螺栓表面，向內擴展。該斷口為沿晶斷裂，有腐蝕產物附著。能譜分析表明，斷口上有腐蝕性元素Cl，S和O等。該斷口具有晶間應力腐蝕開裂的特征。

2 分析與討論

2.1 應力腐蝕分析

奧氏體不銹鋼應力腐蝕開裂是在拉伸應力和特定的腐蝕介質共同作用下發生的低應力脆性斷裂現象，二者缺一不可[4]。一般情況下，產生應力腐蝕時的拉伸應力都很低，如果沒有腐蝕介質聯合作用，機件可以在該應力下長期工作而不產生斷裂。產生應力腐蝕的環境總是存在特定的腐蝕介質，如果沒有拉應力的同時作用，奧氏體不銹鋼在這種介質中腐蝕速率很慢。

拉伸應力是產生應力腐蝕開裂的必要條件。拉伸應力可以是外加載荷造成的應力,也可以是各種殘余應力，如焊接、冷熱加工的殘余應力。U型螺栓的作用是將葉片固定在風機的輪轂上，其受力狀態比較復雜。預緊力載荷使得螺栓受到拉應力作用;加工殘余應力集中在螺栓斷裂的位置。風機靜止時，葉片重力使得螺栓受到靜拉應力的作用;風機工作時，螺栓主要承受葉片旋轉方向上的氣動力、葉片重力和離心力，表現為靜拉應力和交變應力的共同作用。所以，U型螺栓的的受力情況主要是拉伸應力和交變應力，滿足應力腐蝕的條件。

奧氏體不銹鋼應力腐蝕介質有氯化物、高濃度的苛性堿、連多硫酸和硫化物。U型螺栓用于涼水塔風機葉片的固定，其工作環境為華南沿海工業大氣環境。奧氏體不銹鋼在工業大氣和沿海大氣中對于應力腐蝕具有較強的敏感性。沿海工業大氣環境不僅含有SO2，H2S，NH3和NO2等腐蝕性介質，還有大量NaCl的鹽霧[5]。NaCl能夠引起不銹鋼應力腐蝕開裂。循環水場環境蒸發濕度非常大，和鹽離子共同作用在螺栓表面吸附水分，促進溶液環境的形成。斷口腐蝕產物分析中發現有Cl，S和O等腐蝕性元素也得到印證。因此，U型螺栓的工作環境符合奧氏體不銹鋼應力腐蝕開裂的特定腐蝕環境。

2.2 晶間腐蝕分析

奧氏體不銹鋼具有耐腐蝕能力的必要條件是鉻的質量分數必須大于12%。室溫時碳在奧氏體中的溶解度很小，約為0.02%～0.03%。而一般奧氏體不銹鋼中的碳含量均超過此值。在一定的溫度下不銹鋼多余的碳就不斷地向奧氏體晶粒邊界擴散，并和鉻化合，在晶間形成碳化鉻的化合物，使得晶界附近的鉻含量大為減少。當晶界的鉻的質量分數低到小于12%時，就形成所謂的“貧鉻區”。貧鉻區耐蝕性很差，易產生晶間腐蝕。

碳和鉻的含量是奧氏體不銹鋼晶間腐蝕的主要影響因素。碳含量越高，鉻含量越低，奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕傾向越明顯。奧氏體不銹鋼碳含量控制在較低水平，則不易在晶間形成貧鉻區。

在該案例中，螺栓材質成分不符合06Cr19Ni10不銹鋼的標準要求，其中C元素含量偏高，Cr元素含量偏低。C含量是06Cr19Ni10不銹鋼發生晶間腐蝕的最主要影響因素。C含量增加，06Cr19Ni10不銹鋼的晶間腐蝕風險明顯增大。C含量的超標及Cr含量的偏低，在一定條件下易造成06Cr19Ni10不銹鋼晶界的碳化物析出，使得晶界成為“貧鉻區”，增加其晶間腐蝕的敏感性。

在熱加工過程中，奧氏體不銹鋼如果在 420～850 ℃范圍內停留時間過長，會由于沿晶界析出碳化鉻而造成晶間貧鉻，增加材料的晶間腐蝕傾向。這個過程稱為敏化過程。此溫度范圍就是奧氏體不銹鋼的敏化溫度區間。

螺栓金相組織中未見晶粒組織有冷加工變形，表明不是冷加工成型，而是熱加工成型。采用草酸電解浸蝕法檢測，其浸蝕金相組織為三類-溝狀組織，敏化嚴重，有嚴重的晶間腐蝕傾向。顯然，螺栓經過不恰當的熱加工過程。

斷口腐蝕產物分析中發現有Cl，S和O等腐蝕性元素，為晶間腐蝕的發生提供了腐蝕介質環境。

2.3 疲勞破壞斷裂分析

金屬疲勞破壞可分為3個階段：(1)裂紋源產生階段，(2)裂紋擴展階段，(3)瞬時斷裂階段。疲勞斷口宏觀上可分為疲勞裂紋源區、疲勞裂紋擴展區和瞬斷區。

疲勞裂紋擴展區宏觀特征比較光滑并分布有疲勞弧線(即貝紋線)。疲勞弧線是金屬疲勞斷口最基本的宏觀形貌特征，是疲勞裂紋斷裂前的宏觀塑性變形痕跡[6]。貝紋線是以裂紋源為圓心的平行弧線，凹側指向裂紋源，凸側指向裂紋擴展方向。近裂紋源區貝紋線較密，遠離裂紋源區貝紋線較稀疏。

瞬斷區斷口比疲勞裂紋擴展區粗糙，宏觀特征如同靜載的裂紋件斷口。脆性材料斷口為結晶狀。韌性材料斷口在心部呈放射狀或人字紋，在邊緣區有剪切唇。

裂紋源由晶間腐蝕和應力腐蝕產生。當螺栓受到的應力以靜拉應力為主時，開裂以應力腐蝕方式進行，當螺栓受到的應力以交變應力為主時，開裂就以疲勞斷裂方式進行。在裂紋擴展區有弧形的貝紋線，最后瞬斷區可見剪切唇。

3 結論及建議

通過以上分析認為：U型螺栓的斷裂失效是在敏感材料、腐蝕性介質、靜拉伸應力和交變應力等因素的共同作用下，發生的晶間應力腐蝕開裂疊加腐蝕疲勞斷裂。

腐蝕斷裂發生原因如下：

(1)螺栓材質成分未達到06Cr19Ni10不銹鋼的標準要求。

(2)螺栓經不恰當的熱加工處理，敏化嚴重，有嚴重的晶間腐蝕傾向。

(3)螺栓受到靜拉應力和交變應力的共同作用。

(4)螺栓工作在沿海工業大氣環境中，有Cl,S和O等腐蝕性元素。

建議采取以下防護措施：

(1)在沿海工業環境中應選用抗應力腐蝕和晶間腐蝕的材料，例如：奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼、超低碳奧氏體不銹鋼304L或316L等。

(2)奧氏體不銹鋼加熱到1 050～1 100 ℃進行固熔化處理，或者奧氏體不銹鋼添加穩定化元素Ti或Nb，并加熱到900 ℃以上進行穩定化處理，均可以提高抗晶間腐蝕能力。固熔化處理、穩定化處理后應快速冷卻，避免在敏化溫度(420～850 ℃)區間長時間停留。

(3)嚴格按照規范要求緊固螺栓，避免過載和偏載，降低工作應力。零件結構設計盡量簡單，避免應力集中。

(4)螺栓表面進行噴丸或滾壓處理，可以在螺栓表面產生殘余壓應力抵消拉伸應力，還可以提高材料的抗疲勞性能。

(5)做好螺栓的防護，對螺栓表面進行涂漆、噴塑等處理，減少螺栓與大氣中腐蝕性介質的接觸。

(6)對螺栓表面熱處理或化學熱處理進行表面強化，可以提高抗疲勞能力，例如表面淬火、滲碳和滲氮等。