连结螺栓断裂原因分析

郑文龙   王建军   杨晓芳

上海材料研究所

2003．2

摘要

丙烯球罐底部排液阀连接螺栓使用一年左右便发生开裂，开裂率达60%以上，断裂或开裂均发生在螺栓中部的光滑部位。对断裂及开裂螺栓的宏观和微观分析结果表明，该螺栓材料为锻造的奥氏体不锈钢，但含碳量高达0.22%，晶界上细小的碳化物呈链状分布。螺栓断裂起源于螺栓表面的晶间腐蚀，后以晶间型应力腐蚀开裂（SCC）扩展至断裂，腐蚀介质为SO42-和Cl-。其中以SO42-为主。

文章对在大气中使用的奥氏体不锈钢螺栓产生SCC原因进行了分析和讨论，并提出防止该螺栓不发生断裂的工程措施，以供用户参考。

一.前言

金山石化公司的丙烯球罐底部排液阀法兰连接采用不锈钢螺栓，其结构示意图见图1所示，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，所以从选材上来看，选用不锈钢作为螺栓材料是可行的。

图1. 丙烯球罐底部排液阀法兰结构简图

该组螺栓共有8只，螺栓规格为M16×90mm，经使用一年左右发现3只断裂，一只开裂，另外一只探伤发现有裂纹。总体开裂率达60%以上。其他相似的球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，为什么开裂都发生在螺栓中间光滑的圆柱部分？螺栓的断裂属什么性质？如何防止类似螺栓的断裂?为此进行以下分析。

二. 宏观分析

1. 螺栓的几何尺寸测定

失效螺栓尺寸如图2所示，螺栓的两头为M16的螺纹，长度为37.5mm，中间有15mm长的光滑圆柱。螺栓截面积应在螺纹部分最小。螺栓各部位截面的尺寸测量结果示于表1 。

图2. 球罐连接螺栓的几何尺寸

表1 螺栓截面尺寸的实测结果(mm)

齿顶的面积为25.00mm2

齿根的面积为21.71mm2

中间圆柱处面极为23.09mm2

从所标出的螺栓变截面处面积结果来看，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%。

2. 螺栓的化学成分测定

对螺栓的化学成分分析结果示于表2，并与成分接近的奥氏体不锈钢1Cr18Ni9和1Cr18Ni9Ti的化学成分进行比较。

表2螺栓材料化学成分分析结果(wt%)

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（图3、图4）。断裂或开裂螺栓没有发生明显的塑性变形，且裂纹不是单一的。

从断口看，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。

图3.螺栓开裂的宏观形貌

图4.螺栓断口的宏观形貌

三. 断裂螺栓的微观观察

1.螺栓的显微金相观察

取螺栓的轴向截面，作成金相试样，经抛光浸蚀后显微组织见图5所示。可以看出该螺栓为奥氏体锻钢，其晶粒很细，晶粒直径在5um～30um之间。夹杂物以氧化物及氮化钛为主。

图6是在放大1000倍的情况下看到的显微组织，组织为等轴奥氏体晶粒，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。

图5.螺栓轴向截面的显微组织   100×

图6 螺栓的轴向截面金相显微组织  1000×

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7为显微硬度测定示意图，测定结果见表3所示。

图7 显微硬度测定示意图

表3.螺栓不同部位的显微硬度测定结果

2.裂纹形貌观察

将断裂螺栓沿轴向剖开（图8），会发现于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（图9），该裂纹起始端比较笔直（图10），尾部有二次裂纹分叉（图11），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12a）。对样品浸蚀后，会看到典型的晶间腐蚀形貌（图12b）。

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。

图8.应力腐蚀裂纹起源部分形貌   50×

图9.螺栓轴平面的应力腐蚀裂纹    50×

图10.螺栓轴截面显微形貌   200×

图11.应力腐蚀裂纹尾部部分形貌   500×

（a）

（b）

图12. 螺栓断口截面的晶间腐蚀形貌   200×

a：抛光样品， b：浸蚀后的样品

在电镜下观察断口特征（图13a），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。对其进一步放大（图13b），可看出细小的沿晶裂纹。在断口的边缘可看到断裂源（图14a），对其放大会发现断口源处的腐蚀痕迹（图14b），在断口源附近，也会发现微小的晶间裂纹（图14c）。断面上比较洁净的部位可看出完整的晶体颗粒及夹杂物的痕迹（图14d）。

对整个断面的观察说明断裂由腐蚀引起，主要以沿晶方式断裂。断裂起始于多源。

（a）（b）

图13.断裂螺栓断口显微形貌

（a）                       （b）

（c）                      （d）

图14.断口源附近形貌

3.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（图15、图16）。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含量有多于Cl，在大部分的区域腐蚀产物中S含量超过5%wt，而Cl在3%左右。在断口的局部部位中Cl的含量超出了S。

图15.螺栓断面腐蚀产物能谱图

图16. 螺栓断口处局部Cr的偏高能谱

三、讨论

根据以上的宏观观察和微观分析可知，丙烯球罐底部排液阀连接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），现对其进行讨论：

奥氏体不锈钢对Cl-引起的应力腐蚀破裂最为敏感，对不锈钢部件损坏事故调查统计得到，其中应力腐蚀破裂事故最多，占47%。丙烯球罐底部排液阀连接螺栓处于大气中，Cl的浓度本来不算高，但要害的问题在于Cl-的局部浓缩富集，由于大气的干湿交替以及冷热变化，Cl-极易在球罐阀低，尤其是低部法兰间的空隙中造成水垢沉积，使Cl-逐步浓缩。水中Cl-浓度即使低至几个ppm，甚至小于1ppm，奥氏体不锈钢仍然可能引起应力腐蚀破裂。奥氏体不锈钢在汽液交接处的气相部位最易发生应力敏感破裂，同时液相中的溶解氧会加速不锈钢的应力腐蚀破裂。螺栓的开裂发生在球罐法兰间中间光滑段，这是其主要原因之一。

奥氏体不锈钢产生应力腐蚀破裂的临界应力仅为3～5Kgf/mm2，甚至在1.4Kgf/mm2的加工应力下也引起过应力腐蚀。丙烯球罐底部排液阀连接螺栓安装时的预紧力，一般要大于该值。螺栓断裂发生在中间受力比较小的光滑段而不发生在应力较大的螺纹根部的的第二个原因是螺栓的加工工艺。

发生应力腐蚀开裂有三个主要特征：材质、环境、应力。对于奥体不锈钢并非在所有的环境中都会发生SCC，而是在某些“特定”的介质中才会发生，其中尤以氯化物为甚。而一种环境中，并非所有材料都会发生SCC，而是某些合金能够发生。拉应力的存在是发生SCC的必要条件。SCC裂纹与应力方向垂直，形态有晶间型和穿晶型。在压应力下SCC的产生还未发现，但低频交变应力则会发生腐蚀疲劳开裂（CFC）。

对丙烯球罐底部排液阀连接螺栓的轴向截面观察中发现，螺栓齿根低部呈现带状的金相组织（图17、图18），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，其硬度偏低，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。

图17. 螺纹截面金相形貌  50×

图18. 螺纹截面的金相组织  200×

奥氏体不锈钢发生应力腐蚀的常见方式是穿晶开裂，这次螺栓上的裂纹主要以沿晶扩展。这主要是与环境中的S及螺栓本身材质有关，在奥氏体不锈钢晶间腐蚀试验中，常用Cl-—SO42-—H2O—Cu2+环境联合作用。以检验奥氏体不锈钢对晶间腐蚀的敏感性。这次对腐蚀开裂断口表面产物的分析中发现这个断口普遍有大量的S及O存在（图15、图16），说明这次腐蚀介质主要是以SO42-存在的，此外还有Cl-的局部浓缩。发生晶间腐蚀与钢种的成分有关。不锈钢中C含量超标会使固溶处理困难，同时C也容易沿晶析出而形成网状的碳化物链。在不锈钢中这些碳化物主要以碳化铬（Cr23C6）的形式存在，这样消耗了大量的Cr，造成晶界贫铬，不锈钢便产生了晶间腐蚀的倾向。奥氏体不锈钢中的Ni、Ti元素有增强耐SCC的能力。在1Cr18Ni8的基础上形成了1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti以及含Ni量在19%～22%的310型和314型不锈钢。为提高抗SCC的能力，降低碳也有一定的作用，象0Cr18Ni10不锈钢等，而这次的螺栓材质中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SO42-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丙烯球罐底部排液阀奥氏体连接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。

五、结论

五、结论

根据以上的宏观观察、微观分析、系统讨论，可得出如下结论。

1.丙烯球罐底部排液阀奥氏体连接螺栓材质不符合国标，其中C含量高于国标而Ti含量低于国标，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，裂纹起源于螺栓中间光滑部分的晶间腐蚀，后以沿晶方式扩展。其腐蚀介质为SO42-和Cl-，以SO42-为主。

3.连接螺栓没有在螺纹段断裂是由于螺纹处存在加工螺纹时的压应力的缘故。

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。

2.采用奥氏体不锈钢作为螺栓材料必须经过充分的固溶处理。

3. 如不更换螺栓材料，可在制造螺栓中部光滑部分时也采用碾压成型的加工工艺，同时充分固溶处理。下载本文