某氢气管道阀门紧固螺柱断裂原因分析

杨 镇

(宝山钢铁股份有限公司，上海 201900)

0 引言

某企业氢气管道突发泄漏故障，经对泄漏源观察，发现泄漏系氢气管道吹扫管上一小型截止阀中分面紧固螺柱断裂所致。对管道进行紧急停气泄压处理，更换故障阀门后恢复管道运行。为查找阀门泄漏原因，避免以后发生类似故障，文中利用多类分析手段对螺柱断裂失效原因进行分析研究。

1 氢气阀门使用工况及失效状态

失效氢气阀门为国产阀门，不锈钢制，型号J41W －16P，公称直径25 mm，公称压力1.6 MPa，位于某氢气管道的吹扫支管上，如图1所示。该氢气管道设计压力1 MPa，最高使用压力0.7 MPa，使用温度为常温，建于2004年，已使用约9年。吹扫支管尺寸为DN25，其作用是在需要时通过接入氮气等气源对氢气管道进行吹扫置换，因此，正常情况下该阀门应处于常关状态。

图1 泄漏氢气阀门简况及位置示意

阀门泄漏路径在阀门阀体与阀杆连接法兰中分面上。该对法兰依靠4组紧固件紧固，每组由一个M8双头螺柱、2个螺帽和相应的垫片组成。打开该中分面，发现紧固中分面法兰的4个双头螺柱中有两个发生断裂，将这两个断裂的双头螺柱编号为1#和2#(其中，1#螺柱断裂，且上半截丢失)，另两个未断裂的双头螺柱编号为3#和4#，见图 2，3。

图2 泄漏氢气阀门及双头螺柱位置示意

图3 双头螺柱宏观形貌

对4个螺柱的宏观检查发现:1#，2#螺柱的断裂均发生在螺柱中间光杆部分;3#，4#螺柱表面肉眼观察无开裂，但经渗透探伤检查却发现4#螺柱表面存在一些轴向裂纹。另外，螺柱材料看似不锈钢，但表面局部锈蚀较严重。

2 氢气阀门紧固螺柱断裂原因分析

2.1 螺柱材质分析

根据肉眼观察可推测双头螺柱材质为不锈钢，查阅图纸也证明了这一点，但图纸并未给出具体的材料牌号，因此首先对螺柱材料的组织和化学成分进行分析。选取1#螺柱(断裂螺柱)和3#螺柱(未开裂螺柱)进行化学成分检测，选取2#螺柱(断裂螺柱)进行金相组织分析，结果分别见表1和图4。

表1 双头螺柱材料的化学成分 %

由检测结果可推测这批紧固螺柱的材料为奥氏体不锈钢，但与常见的铬镍系奥氏体不锈钢不同，它们的碳含量和锰含量较高，铬和镍的含量则较少，由此判断其属于铬锰或铬锰氮系奥氏体不锈钢，相当于美国200系列不锈钢。然而，与不锈钢标准［1］中列有的国内外铬锰系奥氏体不锈钢牌号对照，螺柱钢材不符合任何一种牌号的不锈钢，只是相对接近其中的2Cr13Mn9Ni4(文献［1］中将其新编为20Cr13Mn9Ni4)。

表1中最后一行给出了2Cr13Mn9Ni4的成分范围，与之相比，螺柱材料的碳含量稍高，硅含量稍低，锰含量明显偏低。故此处暂无法对螺柱材料命名，下文中也只能用铬锰系不锈钢来笼统表示。

图4 2#螺柱断口附近组织形貌 100×

进一步对2#螺柱和4#螺柱取样进行硬度测量，测得2#螺柱硬度为291～307 HBW，4#螺柱硬度为285～292 HBW。由此可见，螺柱材料硬度值较高，但它们基本处于正常水平，这与该类钢种Mn含量和C含量高的情况对应。同时，按照GB/T 10561—2005《钢中非金属夹杂物含量的测定——标准评级图显微检验法》对2#螺柱取纵截面进行非金属夹杂物评级，结果为:细系 A1.0级，D2.0级，并存在粗大的夹渣(见图5)，说明此断裂螺柱的材料制造质量偏差。

图5 2#螺柱夹渣形貌 100×

2.2 断口宏、微观分析

对螺柱断口进行宏观及微观分析是推测开裂原因最有效的手段之一［2－6］。首先观察断口宏观形貌特征(见图6)，发现:断口较平齐，呈颗粒状，塑性变形痕迹不明显，宏观上可视为脆性断口;断口较灰暗，且1#和2#螺柱断口颜色有所不同，1#偏深，接近深棕色，2#断面上大部分区域呈铁灰色，少部分区域则颜色较深。这暗示着两个螺柱的断裂时间不同，1#可能更早些。由于螺柱材质是奥氏体不锈钢，结合断口宏观形貌初步推测可能与应力腐蚀开裂(SCC)有关［7－10］。

图6 断裂的双头螺柱断口宏观形貌

进一步放大断口进行观察，获得两个断裂螺柱断口的低倍和高倍照片，见图7～10。同时，采用扫描电镜EDAX能谱仪对断口表面覆盖物进行能谱成分分析，结果如表2所示。另外，对2#螺柱截取纵向截面观察裂纹形貌，见图11。形貌分析表明:两个断口形貌接近，没有疲劳辉纹，有明显的沿晶断裂和少量穿晶断裂特征，并存在断面二次开裂现象。能谱分析表明，断口表面覆盖物中含有S和Cl等有害元素。

图7 1#螺柱断口低倍形貌

图8 1#螺柱断口高倍形貌

图9 2#螺柱断口低倍形貌

图10 2#螺柱断口高倍形貌

表2 1#及2#螺柱断口能谱分析结果

从图11还可以看出，螺柱断口边缘、螺牙甚至螺柱心部均存在大量裂纹，这些裂纹基本沿晶界分布，且纵横交错，有明显的分支特征。

图11 2#螺柱中的裂纹形貌 50×

2.3 螺柱断裂原因分析及讨论

根据以上断口和金相组织分析结果来看，由于未观察到疲劳辉纹，首先可排除疲劳引发断裂的可能。其次，根据文献［2］描述，抗拉强度大于1050 MPa的钢材才会发生氢脆断裂，而且奥氏体对氢的敏感程度较低，由于断裂螺柱并非高强螺栓，材料组织为奥氏体，且断口上未观察到氢脆断口上常见的“白点”，因此，虽然阀门介质为氢气，但螺柱发生氢脆的可能性基本也可排除。这样，螺柱失效的原因可确定为与应力腐蚀开裂有关，因为断口形貌和其上残存氯元素等特征与应力腐蚀开裂常见的断口特征基本吻合，而裂纹多分支形态在应力腐蚀开裂中亦很典型［6－9］。

不锈钢产生应力腐蚀开裂(SCC)需要具备三个基本条件［6－9］:材料条件，即合金材料对特定的介质敏感;环境条件，即合金材料处于敏感的腐蚀介质中;力学条件，即合金材料受到一定量的静拉伸应力作用。对于DN25的普通阀门而言，4个M8的不锈钢螺柱足以承受正常的紧固拉力，并不存在负载过大的问题，然而，作为阀门紧固件，双头螺柱的主要作用就是通过被拉长来确保阀门法兰的密封闭合，因此其轴向必然承受拉伸应力作用，也就是说，其发生SCC的力学条件天然存在。环境条件方面，氢气管道阀门及其紧固螺柱均处于大气环境中，似乎并不存在特别的腐蚀条件。然而，工厂大气中不免存在硫氯等腐蚀性成分，而螺柱所处冷轧区域的空气酸性成分含量可能更高，文献［6］表明，有时在腐蚀介质浓度很低的情况下材料也会发生应力腐蚀断裂，文献［8］中也表明腐蚀性成分非常可能在对其敏感的金属表面细小沟槽等微小缺陷处富集浓缩。由此可以推测，表2所示断口腐蚀产物中的氯就来源于氢气阀门所处工业大气。这说明螺柱发生SCC的环境条件同样是天然具备且很难被改变。因此，材料条件成为原因分析的关键。

从上文分析已知阀门紧固螺柱的材质为铬锰或铬锰氮系奥氏体不锈钢。与常见的铬镍系奥氏体不锈钢相比，它们的共同之处在于两者的组织形式都表现为奥氏体，铬镍系不锈钢主要以镍为奥氏体化元素，铬锰系则减少了镍的用量，通过加入较多的锰和氮来替代贵金属镍实现奥氏体化。锰在钢中可以起到稳定奥氏体的作用，氮可以促进形成并稳定奥氏体，同时还有很好的固溶强化作用，可提高奥氏体不锈钢的强度。因此，与铬镍系不锈钢相比，铬锰系具有成本低(省镍)、强度高、耐磨性好等优点，近年来在国内使用、发展较快。然而，铬锰系不锈钢抗晶间腐蚀和抗点腐蚀能力相对铬镍系较差，综合力学性能、工艺性能及可焊性等加工性能也相对较差，只适宜在耐蚀性要求不太高的设备和部件上使用［11］。

由表1数据可知，被分析螺柱材料的碳含量较高，达到了近0.3%。国内外现有铬锰系奥氏体不锈钢品种较多［1，11］，其中大部分品种的碳含量都低于0.15%，只有少部分品种的碳含量较高，如 2Cr13Mn9Ni4的碳含量为 0.15% ～0.25%。尽管碳也是促进奥氏体形成并提高不锈钢强度的元素，但碳含量偏高对于不锈钢的耐蚀性是不利的，它可能与铬形成碳化物，造成晶界贫铬，从而弱化螺柱的抗晶间腐蚀能力。事实上，螺柱断口微观形貌确实表现出明显的沿晶特征，说明其晶界比较薄弱，而这种薄弱应该与碳含量偏高有较大关系。

总之，对于需要承受紧固拉力作用且长期处于腐蚀性大气环境中的阀门紧固螺柱而言，选用碳含量较高的铬锰系奥氏体不锈钢不够妥当。大气中的氯离子很可能在螺纹缝隙或螺柱表面微裂纹内附着并富集，使得材料破坏所需应力下降，同时，这些氯离子会在垂直于螺柱拉应力的方向侵入并破坏这些微小缺陷表面原有的氧化层保护膜，而拉伸应力会使得缺陷尖端始终存在应力集中，阻碍新保护膜形成或使得新形成的保护膜破裂，从而导致缺陷尖端始终暴露在氯离子等腐蚀介质中，不断通过电池作用而溶解。这样，随着时间的增长，螺柱表面原有的微小缺陷将逐渐长大，直至达到临界尺寸而令螺柱突然脆断。由于晶界处的保护膜更容易受到破坏，而碳含量较高的铬锰奥氏体不锈钢的晶界恰好又较弱，因此腐蚀会有选择性地沿晶界进行，最终形成的断口也就具有了沿晶断裂特征。

当然，应力腐蚀开裂的成因和过程非常复杂。除选材外，螺柱制造质量也会在一定程度上影响应力腐蚀开裂的进程。前述对未断裂螺柱的表面探伤检查和对断裂螺柱的内部微观检查表明，这批螺柱至少部分存在一些制造欠佳的现象，包括心部存在粗大夹渣和开裂，以及外表面存在纵向分布线性缺陷。这些缺陷可能不是导致螺柱断裂的直接原因，但它们会成为促进螺柱断裂的因素，并影响着螺柱起裂和裂纹扩展时间的长短。

2.4 防螺柱断裂对策讨论及建议

上述分析表明，本次氢气阀门紧固螺柱失效类型基本可确定为由氯离子等腐蚀性介质引起的奥氏体不锈钢的晶间型应力腐蚀开裂。考虑到应力腐蚀三要素中的环境条件和力学条件几乎不可能被改变，要避免类似的螺柱断裂失效事件，关键在于螺柱选材和制造。

对于处于工厂大气环境中的氢气管道以及其他介质管道的不锈钢阀门及配套件，应避免选择碳含量高的铬锰不锈钢制作件，而应选择耐应力腐蚀开裂的低碳或超低碳铬镍型奥氏体不锈钢制作。如果确实有成本方面的限制，也可考虑使用对晶间腐蚀和应力腐蚀开裂不敏感的铁素体型不锈钢。

然而，仅仅选材正确可能仍不够。一般来说，DN25的阀门只是管道系统的一个小附件，而紧固螺柱只是阀门的一个小配件。对于一项规模较大的管道建设项目而言，螺柱甚至阀门的选材以及实际制作质量很可能被忽略，从而为管道使用埋下隐患。在本次阀门螺柱断裂故障发生后，追溯管道图纸资料，未能找到厂商、品牌、材质、质量证明文件等与螺柱有关的信息，而螺柱化学成分分析也表明其未与国内标准中的任何一种铬锰系不锈钢成分相符，说明在企业的管道工程项目中，对于阀门、法兰、螺栓等管道附件的管理还需要细化和强化，比如，对这些附件应强制规定必须提供质量证明文件等。

由于原因分析已认定阀门紧固螺柱选材不妥，那么现存氢气管道以及该氢气管道所属整个项目中的同类阀门都可能存在同样的选材不当以及应力腐蚀开裂隐患。为此组织对所有阀门进行检查，果然在某同期氮气管道阀门上也发现了类似紧固螺栓断裂问题。目前，对检查中发现的失效紧固件已全部进行更换整改，对于检查未发现问题的管道阀门及配套紧固件，在短期内将其全部予以预防性更换并不现实，建议持续做好管道日常检查、年度检查和压力管道定期检验工作，确保及时发现和解决问题。

3 结论

本次阀门紧固螺柱断裂从而引发氢气泄漏的主要原因是螺柱的晶间型应力腐蚀开裂。诱发应力腐蚀开裂的主要因素是不恰当的螺柱选材。碳含量较高的铬锰系奥氏体不锈钢不适宜用作处于工厂大气环境中的管道阀门及其紧固件用材。

［1］ GB/T 20878—2007，不锈钢和耐热钢牌号及化学成分［S］.

［2］ 孙小炎.合金钢螺栓的氢脆［J］.航天标准化，2012(1):5－13.

［3］ 李蓉蓉，艾志斌，袁榕，等.汽提塔顶冷却器浮头螺栓失效分析［J］.压力容器，2002，19(8):39 －43.

［4］ 何家胜，崔好选，朱晓明，等.螺栓(35CrMoA)在湿H2S环境中应力腐蚀试验研究［J］.压力容器，2007，24(2):19 －23.

［5］ 姜勇，巩建鸣.氢气预热器连接螺栓失效分析及解决对策［J］.压力容器，2007，24(12):29 －32.

［6］ 吴粤燊.压力容器安全技术手册［M］.北京:机械工业出版社，1999:396－400.

［7］ 艾志斌，陈学东，杨铁成，等.复杂介质环境下承压设备主导损伤机制的判定与失效可能性分析［J］.压力容器，2010，27(6):52 －58.

［8］ 任凌波，任晓蕾.压力容器腐蚀与控制［M］.北京:化学工业出版社，2003:78－82.

［9］ 肖纪美，曹楚南.材料腐蚀学原理［M］.北京:化学工业出版社，2002:69－85.

［10］ 章茂森，靳淑军，李伟，等.钢制闸阀阀杆与闸板拉伸试验分析［J］.流体机械，2012，40(6):10 －13.

［11］ 伍千思.不锈钢标准中的铬锰系(美国200系)奥氏体不锈钢［J］.冶金标准化与质量，2004，42(6):34－37.