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      室溫/低溫循環交替下不銹鋼螺栓的失效原因

      螺栓是工業生產中常用的緊固件,不銹鋼螺栓相比碳鋼螺栓、合金鋼螺栓,無論在低溫、高溫環境,其應用范圍更為廣泛,因此在石油、化工、冶金、能源、宇航工程和海洋開發等領域得到廣泛應用。不銹鋼螺栓失效斷裂的事故在各石化企業時有發生,一旦管道閥門螺栓出現問題造
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        摘要

      螺栓是工業生產中常用的緊固件,不銹鋼螺栓相比碳鋼螺栓、合金鋼螺栓,無論在低溫、高溫環境,其應用范圍更為廣泛,因此在石油、化工、冶金、能源、宇航工程和海洋開發等領域得到廣泛應用。不銹鋼螺栓失效斷裂的事故在各石化企業時有發生,一旦管道閥門螺栓出現問題造成密封不嚴,導致有毒或易燃易爆介質泄漏,如不及時發現處理,很容易發生重大事故,因此不銹鋼螺栓的使用安全是石化企業、低溫設備安全管理的主要內容[1].由于奧氏體不銹鋼中鎳的質量分數在 8%以上,具有強烈的奧氏體穩定性能,在低于-196℃的環境下不會發生奧氏體向馬氏體相轉變,具有較高的組織穩定性和零部件的尺寸穩定性[2].因此,基于奧氏體不銹鋼具有以上優異的組織穩定性,在室溫和低溫下工作具有極高結構穩定性和耐蝕性,是連接部件的理想材料。螺栓零件的橫截面與最大應力方向垂直,在螺紋處應力比較集中,往往沒有明顯的塑性變形,不會發生斷裂[3].
        
        某低溫加注系統進行調試時,管路法蘭連接處發生泄漏,經檢查發現,法蘭連接處的 6 個螺栓中 1 個螺栓已斷裂,在拆卸其他 5 個螺栓的過程中,1 個在觸碰下斷裂,另外 2 個在用扳手拆除時斷裂,4 個螺栓均為根部斷裂。螺栓斷面呈現銹蝕痕跡,螺栓材料為 M12×70,其制造標準為 GB/T 5782-2000.為了防止斷裂現象的再次發生,對不銹鋼螺栓在室溫/低溫循環交替環境下的失效原因進行了分析,得出了導致不銹鋼螺栓應力腐蝕的的主要影響因素,并提出低溫加注系統中螺栓應力腐蝕的預防措施。
        
        1 理化檢驗與結果
        
        1.1 螺栓宏觀檢查
        
        對螺栓斷口進行宏觀及微觀分析是尋找斷裂原因最有效的方法[4-7].對更換下來的 6 根螺栓(編號1]-6])及同批次 1 根未使用的螺栓進行觀察,宏觀形貌如圖。從圖 1 中可以看出,6 根螺栓大部分表面及斷面均存在不同程度的腐蝕現象,腐蝕區域存在灰黑色及棕紅色腐蝕產物,其中 4 根(編號 1]-4])螺栓斷裂部位均在頭部與螺桿部相連的直角處。采用體視顯微鏡對螺栓斷口進行觀察,發現 4 個斷裂螺栓斷口宏觀形貌相似:斷口較平齊,斷口與螺栓軸線垂直,斷口處布滿棕黃色的腐蝕產物,整個口的宏觀特征為解理斷口螺帽上有明顯點蝕坑和點蝕孔,如圖 2所示。
        
        2.1 螺栓斷口的微觀檢測
        
        利用掃描電鏡對螺栓斷口進行分析,觀察斷口的表面微觀形貌和表面腐蝕產物成分。螺栓斷口的微觀形貌如圖 3 所示,斷口上的腐蝕產物能譜如圖 4 所示。
        
        圖 3 螺栓斷口微觀形貌分析圖 4 螺栓材料能譜分析從圖 3 中可以看出,螺栓斷口的微觀形貌均為沿晶特征,晶粒間的二次裂紋清析可見,斷口材料能譜分析結果表明:斷口表面及螺栓表面腐蝕區域的成分基本一致,均主要含有 Fe,Cr,Mn,O,S,Cl 元素,無腐蝕產物覆蓋區域主要含有 Fe,Cr(9.8%),Mn(17.6%),Cu(1.2%)元素,對比螺栓斷口表面與無腐蝕產物斷口表面,發現奧氏體不銹鋼腐蝕產物主要富集元素 Cl 和 S,說明氯化物和硫化物直接促進奧氏體不銹鋼的腐蝕。
        
        2.2 螺栓的材質成分檢測
        
        制造失效螺栓的奧氏體不銹鋼化學成分(GB/T1220-2007)的成分區間見表1,同時給出了發生斷裂螺栓的化學成分分析結果。
        
        從表 1 中可以看出,失效螺栓所用材料的元素組成及含量與 GB/T 1220-2007 中的要求存在一定的偏差。實測值中,Ni 的質量分數為 0.07%,Cr 為9.32%,而標準中 Ni 與 Cr 的質量分數分別為 8%~19%和 15%~20%,同時 Mn 為 17.8%,嚴重超出標準值。不銹鋼材料中,鉻、鎳當量比是決定材料組織結構、力學性能和耐腐蝕性能的重要參數,鋼中的鎳含量遠遠低于標準成分,奧氏體極不穩定,在冷卻過程中易形成脆性高的馬氏體組織。在承受拉應力下,極易發生脆性斷裂。鉻是增強耐蝕性的主要元素,鉻與氧結合生成耐腐蝕的 Cr2O3鈍化膜,阻止腐蝕性離子侵入基體,能夠提高不銹鋼的耐蝕性能,因此 Cr含量越高,不銹鋼的鈍化膜修復能力越強,鈍化膜的致密度越大,一般不銹鋼中 Cr 的質量分數必須在12%以上,才具有明顯的耐腐蝕性。另一方面,不銹鋼中 Ni 元素是主要的奧氏體穩定元素,鎳含量偏低,奧氏體的穩定性下降,鐵素體和馬氏體的含量增加,材料的塑韌性下降,從而基體的電化學性能不均勻。失效螺栓的元素不合格是導致制造螺栓材質不達標的主要原因,同時也是導致材料力學性能和腐蝕性能不合格的主要原因。鋼中的雜質元素超出標準值是導致材料晶間弱化的主要原因。問題螺栓的主要化學成分含量不符合奧氏體不銹鋼緊固件化學成分的標準含量,因此導致了材料的抗腐蝕性能下降,同時導致螺栓的低溫性能下降。
           螺栓材料化學分析結果   
        3 討論與分析
        
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