重整裝置液壓先導(dǎo)閥壓蓋螺栓斷裂原因分析

吳培毅 孫 濤 高 楠

（1. 中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516086；2. 沈陽中科韋爾腐蝕控制技術(shù)有限公司，遼寧 沈陽 110000）

0 引言

某石化公司催化重整裝置程控閥液壓先導(dǎo)閥的壓蓋螺栓發(fā)生了斷裂。為查明斷裂的原因，對其進(jìn)行了腐蝕失效分析，以便采取相應(yīng)的措施。

參數(shù)如下：液壓先導(dǎo)閥的設(shè)計溫度：40℃，設(shè)計壓力：8.0MPa；操作溫度：38℃，操作壓力：4.6MPa。閥內(nèi)介質(zhì)：32#液壓油；閥外介質(zhì)：空氣。

壓蓋螺栓為TUZ 12.9級美制細(xì)牙內(nèi)六角杯頭螺栓；螺栓材質(zhì)為35CrMoA鋼。

1 失效分析

1.1 螺栓的宏觀、低倍分析

液壓先導(dǎo)閥壓蓋螺栓斷口處沒有明顯的塑性變形，為脆性斷裂；裂紋起源于螺栓螺紋的根部，裂紋由螺栓外部向內(nèi)擴(kuò)展，在螺栓一側(cè)的邊緣處完全斷裂，瞬斷區(qū)形成了45°的剪切唇；螺栓的斷口上有一定程度銹蝕，螺栓斷口的裂紋源區(qū)銹蝕更為嚴(yán)重，如圖1所示。

圖1 壓蓋螺栓的宏觀形貌及螺栓的低倍形貌

1.2 材質(zhì)分析

從螺栓上切取塊狀樣品，依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，使用光譜儀等對螺栓的材質(zhì)進(jìn)行化學(xué)成分分析。結(jié)果表明螺栓的材質(zhì)成分符合35CrMoA鋼的標(biāo)準(zhǔn)要求，如表1所示。

表1 螺栓材質(zhì)的化學(xué)成分（wt%）

1.3 金相檢驗

在螺栓上切取金相樣品，經(jīng)預(yù)磨、拋光、腐刻后，在顯微鏡下觀察分析，并使用顯微硬度計對螺栓的硬度進(jìn)行檢測。

螺栓的硬度：HV434.1（432.0，435.6，434.7），接近于HRC44.7（HV436）。

螺栓裂紋起源于螺栓中部的螺紋根部，裂紋由外向內(nèi)擴(kuò)展；裂紋擴(kuò)展區(qū)的螺栓斷口有小的凸凹起伏；螺栓斷口的最后瞬斷區(qū)在螺栓的邊緣處，并與螺栓的軸線成45°的夾角（剪切唇）如圖2所示；螺栓的金相組織為回火托氏體[1]。

圖2 螺栓的縱向金相組織（斷口處-裂紋源區(qū)）

金相分析和硬度測試的結(jié)果表明，斷裂螺栓的金相組織是回火托氏體。斷裂螺栓的裂紋起始位置是由裂紋源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)、瞬斷區(qū)組成；螺栓斷口處沒有明顯地塑性變形，為脆性斷裂（如圖3所示），具有應(yīng)力腐蝕和氫脆斷裂的特征。

圖3 螺栓的縱向金相組織（斷口處-瞬斷區(qū)）

1.4 電鏡及能譜分析

使用掃描電鏡，斷口的裂紋起源于螺紋根部，裂紋由外向內(nèi)沿晶擴(kuò)展；螺栓斷口的裂紋源區(qū)有腐蝕產(chǎn)物覆蓋；能譜分析表明，斷口裂紋源區(qū)有O、Na、S、Cl、K、Ca、Fe等元素（如圖4所示）。

圖4 螺栓斷口的BEM+EDS（裂紋源區(qū)）

2 綜合分析

通過壓蓋螺栓進(jìn)行了多項理化分析，認(rèn)為造成壓蓋螺栓斷裂的主要因素是氫脆。

金屬材料因受到氫的作用而引起的脆性斷裂，統(tǒng)稱為氫脆或氫致開裂。氫脆對螺栓類緊固件的危害是致命的，是螺栓失效的主要形式之一[2-5]。影響螺栓氫脆的因素較多，包括氫含量、工藝過程、材料強(qiáng)度、應(yīng)力狀態(tài)等。通常，金屬材料中氫含量越高，氫脆的敏感性越高，對于超高強(qiáng)度鋼的螺栓，要求氫含量小于1ppm。

螺栓在服役時，環(huán)境介質(zhì)的腐蝕作用，也可以造成氫的滲入。對螺栓斷口的電鏡能譜分析，檢測到在螺栓斷口上，尤其是斷口的裂紋源區(qū)，有腐蝕性元素O、S、Cl等的富集。因此，不能排除螺栓內(nèi)部的氫是由外部環(huán)境介質(zhì)對其腐蝕后，而進(jìn)入的可能性。

材料強(qiáng)度越高，氫脆發(fā)生的臨界應(yīng)力就越低，孕育期越短，氫脆越敏感。還有，螺栓實際應(yīng)力水平越高，特別是應(yīng)力集中越嚴(yán)重，孕育期越短，氫脆越敏感。壓蓋螺栓是高強(qiáng)度螺栓，為12.9級，硬度接近HRC45，對氫脆的發(fā)生是十分敏感的。而且，螺栓的螺紋根部和螺栓頭與螺桿交界的臺階處都是螺栓上嚴(yán)重應(yīng)力集中的部位，是易于裂紋的萌生和起源處。

因此，認(rèn)為壓蓋螺栓的斷裂過程為：螺栓在緊固液壓先導(dǎo)閥的閥蓋時，會受到一定的拉應(yīng)力及振動應(yīng)力的作用，螺栓中的氫原子會向應(yīng)力集中的部位聚集，而螺栓的螺紋根部和螺栓頭與螺桿交界的臺階處正是應(yīng)力集中的高危區(qū)域，該位置經(jīng)過一段時間的孕育，氫濃度達(dá)到臨界值時，在應(yīng)力和氫原子的共同作用下，螺栓首先在這些氫脆敏感處開裂，這時缺口尖端強(qiáng)度因子雖高，但局部氫濃度減低，隨即氫原子又向該高應(yīng)力區(qū)聚集，又經(jīng)過一段時間的孕育后，在裂紋尖端再次出現(xiàn)臨界狀態(tài)，于是發(fā)生二次開裂。隨著氫脆裂紋的持續(xù)擴(kuò)展，當(dāng)螺栓的實際承載面積小于理論要求的承載面積時，螺栓就發(fā)生最后的斷裂（瞬斷）。正好解釋了，為什么壓蓋螺栓斷口的裂紋源區(qū)和裂紋擴(kuò)展區(qū)是沿晶脆斷的，而壓蓋螺栓斷口的瞬斷區(qū)卻是由大量韌窩構(gòu)成的。

3 結(jié)論及建議

3.1 結(jié)論

（1）壓蓋螺栓的材質(zhì)為35CrMoA鋼；

（2）壓蓋螺栓的金相組織為回火托氏體；壓蓋螺栓的硬度為HV428.6～434.1，相當(dāng)于HRC44.1～44.7；

（3）壓蓋螺栓的斷裂失效性質(zhì)為氫脆；

（4）發(fā)生氫脆的原因與螺栓本身硬度較高，加工或服役過程中提供了氫侵入的環(huán)境條件，即本身的受力狀態(tài)、服役環(huán)境、自身強(qiáng)度、氫含量等對螺栓氫脆斷裂的發(fā)生和發(fā)展產(chǎn)生了重要的影響。

3.2 建議

（1）螺栓在生產(chǎn)加工過程中，如有酸洗、磷化、電鍍等工序，要及時地進(jìn)行工序后的除氫處理；

（2）螺栓在服役過程中，要對螺栓周圍進(jìn)行保潔清理，減少螺栓與外部環(huán)境中腐蝕性介質(zhì)的接觸；

（3）在保證螺栓緊固作用的前提下，降低螺栓的強(qiáng)度，減少螺栓的氫脆敏感性。