某機匣連接螺栓斷裂分析

馮 翔

（中船重工龍江廣瀚燃氣輪機有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000）

金屬構件在海洋環境下，容易從構件表面發生多種類型的局部腐蝕，腐蝕速度一般比均勻腐蝕迅速很多，且腐蝕面積往往局限在微小區域中，可分為點腐蝕、縫隙腐蝕、晶間腐蝕、磨損腐蝕、電偶腐蝕等等，不易預防，不易發現。而應力腐蝕和腐蝕疲勞是眾多腐蝕機理中，危害巨大且失效案件占比率高的兩種腐蝕模式，成為海洋環境下金屬構件使用的重大課題。

船用燃機的制造選材和運行維護都需面臨海洋腐蝕的重大考驗，除制造零件時考慮材質耐腐蝕性，還會在金屬構件表面選用鍍層、滲層、涂層等工藝進行表面抗腐蝕強化。燃氣輪機的機匣一般采用螺栓連接，它的可靠性關系到整個機匣，甚至影響發動機的安全。本文通過對兩個斷裂螺栓斷口觀察、金相檢查、掃描電鏡微觀分析、能譜檢測等手段，確定了機匣連接螺栓斷裂原因。

1 材料檢測與斷口分析

1.1 斷口宏觀觀察

斷裂螺栓宏觀形貌如圖1，分別編號為1#、2#。1#螺栓樣品斷口位于螺桿的第三螺紋處，宏觀斷口形貌如圖2所示，斷口表面顏色較暗，局部區域氧化顏色較深。斷口2/3區域較為平坦，可見清晰的貝紋弧線（如圖中箭頭），根據弧線擴展方向，可判斷裂紋源位于螺桿邊緣，如圖2中A區域所示。對A區域局部放大形貌如圖3，裂紋源處為明顯的凹坑損傷，損傷表面有白色附著物。圖2中B區域產生明顯臺階，應為過載造成的瞬時斷裂形貌。

圖1 送檢螺栓宏觀形貌

圖2 1#螺栓斷口宏觀形貌

2#螺栓樣品斷口位于螺桿的第一螺紋處，宏觀斷口形貌如圖3所示，斷口整體較平坦，表面顏色為深褐色。在斷口一側存在類似剪切唇的凸起部分，如圖3中A區域，判斷該凸起部分為最終斷裂處。

圖3 1#螺栓斷口宏觀形貌

圖4 2#螺栓斷口宏觀形貌

1.2 斷口微觀觀察

將1#螺栓的斷口放入掃描電鏡中進行微觀觀察，斷口整體形貌如圖5所示，裂紋源區放大形貌如圖8，應用X射線能譜對源區位置附著物進行成分檢測（見表1），從結果可以看出，源區處產物的Cl、S、Na、O等元素含量均處于較高水平。擴展區形貌如圖6，可見疲勞擴展條帶。瞬斷區形貌如圖7，為瞬時斷裂韌窩形貌。

圖5 1#螺栓 斷口微觀形貌

圖6 1#螺栓 擴展區微觀形貌

圖7 1#螺栓 瞬斷區微觀形貌

圖8 1#螺栓 裂紋源微觀形貌

表1 裂紋源 附著產物能譜檢測

將2#螺栓的斷口放入掃描電鏡中進行微觀觀察，斷口整體形貌如圖9所示，可見明顯的貝紋狀疲勞弧線，根據弧線擴展方向（如圖9中箭頭所示），可判斷裂紋源位于螺桿一側邊緣，疲勞擴展區域可見疲勞條帶（如圖10），圖9中A區域微觀形貌為韌窩（如圖12），應為瞬時斷裂，與宏觀判斷一致。對裂紋源B區放大，形貌如圖11，呈龜裂狀沿晶開裂，表面附著物能譜檢測成分見表2，其中Cl、S、O等元素含量較高。

表2 源區及擴展區能譜檢測成分

圖9 2#螺栓 斷口微觀形貌

圖10 2#螺栓 擴展區微觀形貌

圖11 2#螺栓 裂紋源微觀形貌

圖12 2#螺栓 瞬斷區微觀形貌

1.3 螺栓縱剖面金相觀察

將1#斷裂螺栓的螺帽部分縱向剖開，制成金相樣品，觀察縱剖面，在截面處發現多處凹坑損傷，以及典型的徑向擴展的樹根狀分叉裂紋，該裂紋整體形貌。

將2#斷裂螺栓的螺桿部分縱向剖開，觀察縱剖面，同1#斷裂螺栓相同，發現多處凹坑損傷，且在凹坑內部有大量的附著物。對附著物進行能譜檢測，檢測結果見表3，附著物含有較高的S、Cl等元素。

表3 凹坑內附著物 能譜檢測成分

2 分析與討論

兩個斷裂螺栓雖斷裂位置有不同，但通過對螺栓斷口的宏觀、微觀和縱剖面金相觀察，以及對材料和腐蝕產物的化學成分分析，發現螺栓基體材質相同，斷口基本形貌相近，斷裂基制也基本相同，附著產物的化學成分相近，總結斷裂螺栓存在的共同之處主要有以下幾點：

（1）斷裂螺栓的裂紋源均在螺桿一側外表面，裂紋源處均有腐蝕凹坑損傷，源處及周圍存在較多腐蝕產物，多呈龜裂狀沿晶斷裂特征；瞬斷區為韌窩形貌，且占斷口的面積較小。

（2）螺栓斷口平坦，可見明顯貝紋狀疲勞弧線，且擴展區可見疲勞條帶。

（3）送檢螺栓基體材質相同，斷口上腐蝕產物成分中Cl、S、O等元素偏高。

（4）斷裂螺栓的縱剖面金相檢查，在裂紋源區以及其他位置均發現多處呈點域狀的腐蝕損傷，以及多條徑向擴展的樹根狀分叉裂紋，這分別是點蝕和應力腐蝕的明顯特征。

（5）能譜檢測其基體化學成分見表4。

表4 斷裂螺栓基體 能譜檢測成分

當金屬構件所處環境同時存在氯離子和氧化劑，比較容易產生電化學侵蝕，形成點蝕。點蝕坑剖面形狀一般為楔形、橢圓形、盤碟形、皮下囊性等。此外金屬構件在靜應力和特定的腐蝕性環境作用下，出現低于材料強度極限的脆性開裂現象稱為應力腐蝕開裂。應力腐蝕裂紋一般較深、較窄，剖面金相通常呈樹根或樹枝狀裂紋。

因斷裂螺栓所處工作環境為海水介質，介質中含有比較多的Cl-和SO42-，導致螺栓表面發生點腐蝕和應力腐蝕損傷。表面的腐蝕損傷在交變應力和腐蝕環境的共同作用下，形成疲勞擴展，最終斷裂。

3 結語

送檢螺栓失效機制為由點腐蝕和應力腐蝕造成的腐蝕損傷引起的腐蝕疲勞斷裂。建議對該批次機匣螺栓全部更換，并縮短檢查和更換周期，確保燃機正常運行。進一步分析螺栓材料和制造工藝，通過改變材質和表面工藝處理，提高螺栓抗腐蝕性，通過改變螺栓設計減小螺栓工作應力，降低發生腐蝕失效可能性。