球罐阀门奥氏体不锈钢螺栓断裂原因分析与解决对策

房俊义　郑召斌

摘要：某集输站球罐阀门法兰连接用奥氏体不锈钢螺栓，螺栓开裂或断裂的位置都发生在螺栓中部光滑的园柱部位。断裂或开裂螺栓没有发生明显的塑性变形，断口中的不同部位不在同一截面上，构成台阶状断口，断口上覆盖着黄褐色的腐蚀产物。如何防止类似螺栓的断裂？为此进行分析。根据以上宏观观察、微观分析及系统讨论，可得出结论：（1）球罐阀门奥氏体连接螺栓材质不符合国标，为不锈钢废料经中频混炼所得材料。（2）连接螺栓断裂属于应力腐蚀断裂。根据以上结论，提出以下建议，供厂家参考：（1）选择成分合格的低碳不锈钢螺栓材料，如选用奥氏体不锈钢作为螺栓材料须经充分固溶处理。（2）在制造螺栓中部光滑部分时也采用碾压成型的加工工艺。

关键词：球罐阀门：奥氏体不锈钢；螺栓开裂；原因；措施

某集输站球罐阀门法兰连接用不锈钢螺栓，其结构示意图见图1，其它球罐也多采用相同的不锈钢螺栓连接。因为这些连结件多在大气中使用，没有保温保护，从选材上来看选用不锈钢作为螺栓材料是可行的。该组螺栓共经使用一年左右发现5只断裂，一只开裂，另外一只探伤发现有裂纹。其他相似的储运罐也采用同类不锈钢螺栓，但不锈钢类型不明。该不锈钢螺栓两头有37.5mm长的M16螺纹，中间为15mm长的光滑圆柱。对奥氏体不锈钢螺栓开裂原因进行分析和讨论，提出防止螺栓断裂措施。

1宏观分析

1.1螺栓的几何尺寸测定。失效螺栓两头为M16的螺纹，长度为37.5mm，中间有15mm长的光滑圆柱，其中齿顶的面积为25.00mm2；齿根的面积为21.71mm2；中间圆柱处面积为23.09mm2。从所标出的螺栓变截面處面积来看，螺栓齿根部分的面积最小，受力最大，工作应力比螺栓中部高约6%。

1.2螺栓的化学成分测定。对螺栓的化学成分分析结果为（%）0.20C、0.80Mn、0.70Si、0.015S、0.024P、17.10Cr、8.20Ni、0.18Ti，故该螺栓既不属于1Cr18Ni9，也不属于1Crl8Ni9Ti。其碳含量高于国标而合金元素Ti低于国标。说明该螺栓材料是用市场上的不锈钢废料经电频炉混炼而得到的。

1.3断裂螺栓的宏观形貌观察。螺栓开裂或断裂的位置都发生在螺栓中部光滑的园柱部位。断裂或开裂螺栓没有发生明显的塑性变形，断口中的不同部位不在同一截面上，构成台阶状断口，断口上覆盖着黄褐色的腐蚀产物。

2断裂螺栓的微观观察

2.1螺栓的显微金相观察

取螺栓的轴向截面，做成金相试样，经抛光浸蚀后显微组织。可以看出该螺栓为奥氏体锻钢，其晶粒很细，晶粒直径在5～30μm之间。晶界被细小的链状碳化物所包围。说明螺栓是经过固溶处理，但碳化物未完全固溶进去，所以固溶不充分。夹杂物以氧化物及氮化钛为主。

2.2显微硬度的测定

由于螺栓是个变截面部件，所以有必要对不同部位测定其显微硬度，图2为显微硬度测定示意图。

从测定结果看，螺栓的显微硬度由外向里逐渐降低，其中螺纹段齿根处硬度最高（HRC43.2），中央心部最低（HRC30）。而光滑段的硬度低于螺纹段6.5HRC。

2.3裂纹形貌观察

将断裂螺栓沿轴向剖开发现断口上分叉的二次裂纹。同时也发现了一条几乎与断口同一方向的扩展裂纹，该裂纹起始端比较笔直，尾部有二次裂纹分叉，是典型的应力腐蚀裂纹特征。断口处的二次裂纹也是由应力腐蚀所引起，在抛光的样品上就可清楚地看出细小的晶粒（图10）。通过对断面及截面的微观观察，可以发现该螺栓断裂属于应力腐蚀开裂，裂纹在应力的作用下以晶间型应力腐蚀开裂的方式扩展。在电镜下观察断口特征，可看到断口不同层面上的脆断形貌，说明螺栓断裂时有多个断裂源，且断面不光滑，上面有许多二次裂纹。同时可看出细小的沿晶裂纹。断面观察说明断裂由腐蚀引起，主要以沿晶方式断裂。

2.4腐蚀产物分析

断裂螺栓断口表面覆盖有黄褐色的腐蚀产物，在能谱下对其进行分析。发现断口表面所覆盖的腐蚀产物主要为O、Fe、Ni、Mn、Cr、S、Cl。腐蚀产物中的S含量多于Cl，在大部分的区域腐蚀产物中s含量超过5%，而Cl在3%左右。在断口的局部部位中Cl的含量超出了S。

3讨论

根据以上的宏观观察和微观分析可知，球罐阀门螺栓的开裂或断裂是由应力和S、Cl等腐蚀因子作用所造成的，即应力腐蚀开裂（SCC）。对球罐阀门螺栓的轴向截面观察中发现，螺栓齿根底部呈现带状的金相组织，说明该螺纹是经碾压而成型的，螺纹根部具有压应力，对其截面的显微硬度测定结果也证实了这点。由于存在较大的压应力，使奥氏体不锈钢对SCC并不敏感。而在螺栓中间的光滑段，就没有这种碾压后的金相组织，硬度偏低，在受拉应力的作用易发生应力腐蚀开裂。这就是为什么SCC开裂发生在螺栓的中部光滑部位，而不在受力较大的螺纹部位的主要原因。同时这次的螺栓材质中c含量超标、Ni含量接近下限、Ti含量低于国标都给SCC留下了隐患。总之SO2-4及Cl-的存在、螺栓所受的拉应力以及材质成分的不合标准为球罐阀门螺栓的应力腐蚀开裂提供了极为有利的条件，而使螺栓发生了晶间型应力腐蚀断裂。