取压阀压盖螺栓断裂分析

取压阀压盖螺栓断裂分析
张毅
（国家石油天然气管网集团有限公司西气东输分公司）
摘要某取压阀压盖螺栓在使用过程中发生了断裂，通过试验分析了螺栓断裂的原因"结果表明：螺栓在安装过程中预紧力过大产生了塑性变形；Cr-Mn系不锈钢螺栓耐蚀性较差，在长期的使用过程中,周围含有S、C1元素的介质流到螺栓表面,导致存在应力集中的光杆与六角头过渡部位发生了硫化物和C1-应力腐蚀开裂"建议按设计要求确定螺栓材料，并依据相关标准和规程控制预紧力"
关键词螺栓取压阀预紧力断裂应力腐蚀
中图分类号TQ055.3+8文献标识码B
螺栓广泛应用于结构的连接、紧固及密封等场合。

作为一种缺口型零件，螺栓在缺口部位（如螺杆根部、螺纹根部等%易产生应力集中现象[1]"螺栓的断裂失效可导致结构、设备等出现安全隐患，并引发重大事故"螺栓的断裂首先与螺栓材料的力学性能、组织等有关（其次与螺栓的工作应力有关,如预紧力大小、应力集中等"同时螺栓工作环境下的腐蚀介质、介质浓度及温度等因素也会影响螺栓的使用性能[2]"
某取压阀压盖螺栓在使用过程中发生了断裂，为了确定失效原因,对螺栓断裂部位和未断裂部位取样，并进行宏观检查、化学成分分析、硬度测定、金相组织分析、断口形貌及能谱分析等一系列试验,分析了断裂的原因,并提出了改进
措施。

1运行工况
取压阀压盖螺栓使用约5年后,4根螺栓中有2根发生了断裂，其主要技术参数如下：取压阀介质02
取压阀中的氧气压力6.0MPa
规格必!）—!%!—
设计材料B8（3"4）文章编号0254-6094（2020）06-0866-06
2试验结果与分析
2.1宏观检查
图1为4根螺栓的形貌。

由图1a可见，1*和2#螺栓为完好螺栓，螺纹根部均存在褐色垢物,螺栓性能等级为8.8级；3#螺栓断裂于无螺纹的光杆与六角头的过渡部位，断口形貌如图lc所示，可见断口整体较平整，最后断裂区凹凸不平,整体无明显塑性变形，同时断口表面附着有褐色垢物;4#螺栓螺纹和光杆部位均存在腐蚀，断裂于光杆处,断口表面附着有褐色垢物,如图ld、e 所示。

2.2化学成分分析
对样品进行的光谱分析结果见表1,1#~4#螺栓的C、Mn含量均高于ASTM A193/A193M—17对B8级材料规定的上限，Cr、Ni含量均低于ASTM193A/193M—17对B8级材料规定的下限,表明螺栓材料不符合要求。

2.3硬度测定
在螺栓末端进行维氏硬度测定，测定1/2半径与轴心部位的硬度值,1#螺栓维氏硬度高于2#、3#和4#螺栓,具体结果见表2。

作者简介：张毅（1982-）,工程师，从事长输管道保护及工程建设相关工作，****************。

a.螺栓宏观形貌对比
b. 1#螺栓六角头形貌
c. 3#螺栓断口形貌
d. 4#螺栓形貌
e. 4#螺栓断口形貌
图1 螺栓形貌表1 螺栓化学成分
Wt%
项目C Si Mn P S Cr Ni 1&螺栓
0.112
0.25212.4900.0250.005 113.540 1.730
2&螺栓0.1430.300
11.0000.027
0.011 014.170 2.1703&螺栓
0.1530.36111.7500.0200.021 1
13.950 2.2304#螺栓
0.114
0.329
11.750
0.021
0.007 5
14.040
2.150
ASTM A193/A193M —
! 0.080
! 1.000
! 2.000
! 0.045
! 0.0300
18.000〜20.000&000〜11.000
17标准
表2 维氏硬度(HV )
样品第1次
第2次
第3次
第4次均值1&螺栓3574014183633852&螺栓279262298
267276
3&螺栓
295
286273309
2914&螺栓270289
314
290
291
2.4金相组织分析
名为JX1、JX2、JX3、JX4,具体的取样位置如图2
从1#、3#、4#螺栓截取金相试样，并且分别命
所示$
图2金相样品取样位置
JX1为1#螺栓径向截面样品,组织形貌如图 3所示。

由图3可看出，JX1样品组织为奥氏体,
晶粒内部产生了大量的相互平行和交叉的黑色
线条,黑色线条终止于晶界；螺栓光杆部位的近 外壁区存在由外表面向心部扩展的裂纹,裂纹无
分支,深度约448!*。

外壁
448 m
a.近外壁抛光态 X 100
b.心部抛光态x 100
外壁
外壁
100
9m
近外壁区
d.心部100图3 JX1径向截面组织形貌
JX2为3#螺栓的径向截面样品,组织形貌如 体,晶粒中存在大量的黑色线条,外壁存在一条
图4所示。

由图4可看出,JX2样品组织为奥氏 微裂纹。

图4JX2径向截面组织形貌
JX3为4#螺栓断口附近径向截面样品,组织形貌如图5所示o由图5可看出，JX3样品组织为奥氏体,整个截面存在黑色线条,有3条由螺栓表面向心部扩展的裂纹。

图5JX3径向截面组织形貌
JX4为4#螺栓轴向截面样品,组织形貌如图6所示。

由图6可看出,JX4样品组织晶粒中存在黑色线条，螺纹牙底和牙顶晶粒均已发生变形。

2.5断口形貌与能谱分析
2.5.1断口形貌分析
发生断裂的3#、4#螺栓样品的断口宏观形貌如图7所示。

图6 JX4轴向截面金相组织
图7 3#、4#螺栓断口宏观形貌
3#螺栓原始断口形貌如图8+所示，可见断
口表面覆盖有大量的垢物；清洗后的断口形貌如 图8b 所示，可见断裂以沿晶形式为主,断口整体
呈应力腐蚀开裂的特征。

4#螺栓清洗后的断口形
貌与3#螺栓的相近，如图9所示#
2.5.2断口能谱分析
用X 射线能谱仪对3#、4#螺栓断口表面的垢
物进行分析,分析结果见表3,可见,3#、4#螺栓断 口表面的垢物以氧化物为主（分别为25.15wt%、
20.90wt%）,并且伴有大量具有腐蚀性的S 、C1元
素及N+、Mg 、K 、C+等杂质元素。

a.原始断口形貌
b.清洗后断口形貌
图8 3#
螺栓断口形貌
图9 4#螺栓清洗后断口形貌
表3 垢物样品能谱分析
wt%
垢物样品C
O Na Mg Al Si S Cl K
Ca Cr Mn Fe Ni 3#螺栓
1.0825.15
2.75
1.39
2.15
3.78 3.83
1.340.50
2.558.58 6.9541.39
1.35
4#螺栓 1.57
20.90 1.050.48
0.43
0.95
0.62 1.86
0.40
0.72
10.09
9.78
51.15-
3分析结果金相组织、断口形貌和腐蚀产物分析结果表 明,3#和4#螺栓断裂性质为应力腐蚀开裂$螺栓
属于Cr -Mn 系不锈钢,这类钢耐蚀性差；螺栓在 安装过程中预紧力大于屈服强度,导致螺栓发生
了塑性变形,组织中出现滑移线;螺栓在长时间
运行过程中，周围环境中介质流到螺栓表面,介
质中含有S 、C1元素,对螺栓产生了腐蚀;螺栓光 杆与六角头过渡部位存在应力集中现象,最终导
致光杆与六角头过渡部位发生了硫化物和ci -应 力腐蚀开裂$
4结论与建议
经过分析,取压阀压盖螺栓断裂属于应力腐
蚀开裂,具体原因为材料不符合要求,不宜在当
前环境中使用;预紧力过大产生塑性变形导致螺 栓断裂$建议按照设计要求确定材料，在-20〜
250#温度范围内,选择双相钢螺栓;根据相关标
准和规程控制预紧力,确保在螺栓材料屈服强度 的80%以内$
参考文献
1(刘德林,胡小春,何玉怀,等.从失效案例探讨钢制紧
固件的氢脆问题［J ( •材料工程,2011,39(10)：78〜83.［2(居龙,冯超,赵劲彪,等.42CrMo 高强度螺栓在海洋大
气环境中的应力腐蚀开裂风险评估［J (.腐蚀与防
护,2019,40(9):644〜649.
(收稿日期 +2020-04-06)
(Continued from Page 841)
Abstract The force analysis showed that cyclone separator 's center cylinder bears external pressure load
and its creep deformation occurs under the combined action of high temperature and internal bending stress
which incurred by external pressure. This creep deformation has characteristics of instability deformation
under external pressure and it 's attributed to creep instability. The effective measures to prevent this insta ­bility deformation of the center cylinder were put forward.
Key words cyclone separator , center cylinder , high temperature , bending stress , creep
instability。