淺談丁二烯裝置蒸發罐 液位計法蘭螺栓斷裂的原因分析

劉楠

（中國石油四川石化有限責任公司，四川 彭州 611930）

1 螺栓斷裂失效情況簡介

四川石化丁二烯裝置蒸發罐V-1101頂部液位計法蘭上螺栓在運行過程中發生斷裂失效，如圖1 所示，蒸發罐V-1101的操作參數見表1，螺栓材質為合金鋼，螺栓性能等級為8.8級，螺栓規格M14×80mm，且其他設備上同批次同規格螺栓亦有斷裂情況發生。由于螺栓斷裂可能導致工藝介質從液位計接管法蘭處泄漏，影響裝置的安全平穩生產，故對斷裂失效件進行取樣試驗，綜合分析斷裂原因，為法蘭螺栓連接的可靠性提供技術依據。

圖1 法蘭螺栓斷裂情況

表1 蒸發罐V-1101 操作參數

2 分析依據

（1）GB/T 5782-2000《六角頭螺栓》。

（2）GB/T 3098.1-2010《緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》。

（3）GB/T224-2008 《鋼的脫碳層深度測定法》。

（4）GB/T 228.1-2010 《金屬材料 拉伸試驗 第1部分:室溫試驗方法》。

（5）GB/T 4340.1-2009 《金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分:試驗方法》。

（6）GB/T 17359-1998《電子探針和掃描電鏡X 射線能譜定量分析通則》。

（7）GB/T 13298-1991《金屬顯微組織檢驗方法》。

（8）中國特檢院質量手冊。

（9）中國特檢院質量體系文件CSEI/QM-2-24《失效分析項目控制程序》。

（10）中國特檢院質量體系文件CSEI/QM-3-B21《事故分析/失效分析規則》。

3 試驗分析

表2 試驗內容

3.1 宏觀檢查

對斷裂螺栓進行外觀檢查發現螺栓表面附著腐蝕產物，斷裂位置發生在螺柱中部起始螺紋根部，螺栓斷口較平坦，未見明顯塑性變形，屬脆性斷口[1]，斷口上存在腐蝕，腐蝕產物呈紅褐色。

3.2 螺栓化學成分分析

對螺栓進行化學成分分析，分析結果見表3所示，根據分析結果，該螺栓的化學成分滿足標準GB/T3098.1-2010的要求，其中合金元素Cr含量將近為標準規定最小值的4倍。

表3 化學成分分析結果（%）

3.3 硬度測試

選取帶螺紋的螺栓截面（螺栓1）和不帶螺紋的截面（螺栓2）進行維氏硬度試驗，試驗結果見表4，從表中可以看出帶螺紋的螺栓部位比不帶螺紋的螺栓部位硬度高，原因可能為螺紋加工硬化導致。與GB/T3098.1-2010 標準規定值相比較，螺栓實測硬度值超標。

表4 硬度測試結果

3.4 拉力實驗

對螺栓進行拉力試驗，試驗結果見表5所示，從表中可以看出螺栓的抗拉強度遠大于標準規定值。

表5 拉力試驗結果

3.5 保證載荷試驗

取一根使用過但未發生斷裂的相同螺栓進行保證載荷試驗，試驗結果見表6。先進行加載，達到保證載荷以后，保載15S，卸載后測量螺栓長度，并觀察螺栓變形，與試驗前進行對比，判斷螺栓的力學性能，按8.8 級螺栓保證載荷66.7KN 進行試驗，試驗后螺栓保持完好。

表6 保證載荷試驗結果

3.6 脫碳試驗

采用金相法測量螺紋全脫碳層的深度，選取牙頂、腰部、牙根三個部位分別測量，測量結果見表7。從表中可以看出螺紋三個部位的脫碳層深度均大于標準GB/T3098.1-2010 規定的最大值15μm，螺牙均存在不同程度的脫碳，典型的脫碳形貌見圖2。

圖2 脫碳層形貌

表7 脫碳層測量結果（μm）

從圖2 螺紋金相照片上可以看出，螺牙腰部、牙根均存在裂紋，但裂紋均位于脫碳層，尚未貫穿到基體金屬。

3.7 增碳試驗

螺栓試樣經拋光后，選取4個位置采用硬度法測試增碳，試驗結果見表8，經試驗，螺栓試樣存在增碳。

表8 增碳試驗結果（HV0.3）

3.8 金相組織

螺紋金相組織如圖3所示，從圖中可以看出，螺紋脫碳層金相組織為鐵素體，基體金屬金相組織為板條馬氏體。

圖3 金相組織

3.9 斷口掃描分析

對螺栓斷口采用電子掃描顯微鏡進行觀察，從圖4中可以看出，開裂形式以一條主裂紋向前擴展；斷口表面已被腐蝕，但開裂未見明顯塑性變形，從斷口形貌可以判斷螺栓的斷裂為脆性斷裂。

圖4 裂紋形貌

3.10 斷口能譜分析

對螺栓斷口表面進行能譜分析，能譜分析位置及各元素相對含量見圖 5，能譜分析元素半定量結果見表9。從分析結果可以看出，斷口表面主要含有Fe、O、C 等元素。

表9 能譜半定量分析結果（Wt%）

圖5 斷口能譜分析位置及元素分析結果

4 綜合分析

螺栓斷裂部位發生在中間起始螺紋根部，與螺栓的受力相關，由于該螺栓兩頭為螺紋，兩頭緊固時，中間起始螺紋根部承受的緊固拉應力和剪切應力作用較大，因此該部位較薄弱，若在緊固螺栓時預緊力過大，將使該部位承受的應力進一步加大。

根據化學成分分析結果滿足標準GB/T3098.1-2010 的要求，但合金元素Cr 含量將近為標準規定最小值的4倍，合金元素Cr 含量的提高，可以提高材料的強度，這與硬度測試結果和拉力試驗結果吻合，硬度測試結果和拉力試驗結果都遠大于標準GB/T3098.1-2010 規定值，其中硬度值存在超標。

保證載荷試驗表明在66.7KN 的載荷下，螺栓的強度滿足標準要求。

對螺紋的牙頂、腰部和牙根3個部位脫碳層進行測量，結果表明該螺紋脫碳層的厚度遠超標準GB/T3098.1-2010 規定的最大值15μm，脫碳層厚度超標會降低螺紋強度并可能造成其失效。在進行脫碳層形貌觀察時發現，螺牙腰部、牙根均存在裂紋，這些裂紋均位于脫碳層，尚未貫穿到基體金屬，但有可能貫穿到基體金屬，導致基體金屬的起裂，尤其是牙根部位的裂紋，一旦起裂就有可能導致擴展斷裂。

增碳結果表明螺栓表面存在增碳，表面增碳會提高表面硬度，可能造成脆斷或降低抗疲勞性。

對螺紋的金相組織進行了觀察，得知螺紋脫碳層金相組織為鐵素體，基體金屬金相組織為板條馬氏體，由于馬氏體組織應力較大，因此該螺栓的強度較高，但塑性相對較差，這在硬度測試結果上也得到體現，斷口未發現明顯塑性變形，呈脆性斷裂特征，這也與馬氏體的塑性相對較差有關。

螺栓斷口掃描顯微鏡觀察發現開裂以一條主裂紋向前擴展，未見韌窩，符合脆性斷裂特征。

5 結論與對策

螺栓的螺紋牙根存在裂紋擴展到基體金屬，由于螺栓強度較高塑性較差，加上表面增碳使螺栓在中間起始螺紋根部薄弱部位發生脆性斷裂。

針對此種情況應采取如下相應對策：

（1）提高螺栓的熱處理質量，防止脫碳層厚度超標，同時避免發生表面增碳。

（2）緊螺栓的方法和預緊力的大小均應按相關規定進行，防止預緊力過大、各螺栓的預緊力不均勻等使螺栓承受的緊固拉應力和剪切應力作用過大，從而萌生疲勞或蠕變裂紋。

（3）日常巡檢過程中，加強螺栓的檢查，尤其是同批次的螺栓，檢查內容包括螺栓表面腐蝕狀況、螺紋是否完好、松動、變形、斷裂等。

（4）定期對螺栓進行防腐，可涂刷防銹漆或使用涂層油脂進行腐蝕防護，防止腐蝕與應力的疊加效應。