不锈钢闸阀填料压盖螺栓断裂失效原因分析

姚来娣

（中海油惠州石化有限公司，广东惠州 516086）

1 问题

某炼油化工装置于2021 年4 月进行大检修，开工后发现仪表液位计根部不锈钢闸阀的一根填料压盖螺栓断裂，随即进行了紧急处理并予以加固。2022 年1 月27 日对装置进行全面检查时，又发现2 台不锈钢闸阀的填料根压盖螺栓断裂。2022 年2 月13 日再次发现4 台不锈钢闸阀的填料压盖根螺栓断裂。前后3 次，共有7 台不锈钢闸阀的填料压盖螺栓发生断裂失效。

现场检查发现该批不锈钢闸阀于2018 年8 月份投入使用，阀门口径规格：DN80；阀门压力等级：CL600；阀门主体材料：CF3M（316L），阀门填料压盖螺栓/螺母材质：ASTM A320 Gr.B8/A194 Gr.8。为确定断裂失效原因，从断裂形貌、低倍分析、材料成分、金相检验和电镜扫描分析等方面进行断裂失效原因分析，提出相应的改进建议，确保装置安全平稳运行。

2 原因分析

2.1 宏观、低倍分析

将两根断裂的螺栓送检，为了方便分析，编为1#螺栓和2#螺栓。两根螺栓直径11 mm，断裂于螺栓中部的光杆区域；螺栓的断口处起伏较大，没有明显的塑性变形，为脆性断裂；裂纹起源于螺栓表面，螺栓断口上有腐蚀产物附着；螺栓断口颜色较深区域为先断裂处，颜色较浅区域为后断裂处，见图1～图4。

图1 1#螺栓断裂宏观形貌

螺栓及螺母均无磁性，锈蚀较轻。在两根螺栓断裂处的表面，可见螺栓光杆表面的机械加工痕迹，这些机加工痕迹与螺栓断口平行，且裂纹大多起源于机加工的沟痕内，该部位螺栓表面也积存有较多的腐蚀产物（锈垢等），见图5、图6。根据宏观、低倍形貌分析，螺栓断裂失效符合应力腐蚀开裂的特征。

图2 1#螺栓断口低倍形貌

图3 2#螺栓断裂宏观形貌

图4 2#螺栓断裂低倍形貌

图5 1#螺栓表面低倍形貌（断口处）

图6 2#螺栓表面低倍形貌（断口处）

2.2 材料分析

在1#螺栓上取样，采用便携式光谱仪测量其化学成分。经对比标准ASTM A320 B8，结果表明，1#螺栓的材料成分中除Cr 元素的含量稍低外，其他元素的含量均符合ASTM A320 B8（304）不锈钢的标准要求（表1）。

表1 螺栓材料的化学成分 wt%

2.3 金相检验

在螺栓上截取金相样品，经镶嵌、抛磨和化学试剂侵蚀后置于光学显微镜下观察，并使用显微硬度计对其硬度进行检测。

1#、2#螺栓的纵向金相样品切取于断口处，两根螺栓的断口处参差不齐，没有塑形变形，为脆性断裂，裂纹沿晶扩展。螺栓的金相组织为奥氏体，存在明显的敏化倾向。参照相关标准，螺栓断口处的金相组织敏化程度为三类-沟状组织[1]，见图7～图12。

图7 1#螺栓的低倍金相组织（纵向，断口处）

图8 1#螺栓的金相组织（纵向，图7 中1 处）

图9 1#螺栓的金相组织（纵向，图7 中2 处）

图10 2#螺栓的低倍金相组织（纵向，断口处）

图11 2#螺栓的金相组织（纵向，图10 中1 处）

图12 2#螺栓的金相组织（纵向，图10 中2 处）

1#、2#螺栓的横向金相样品切取于距离螺栓断口约10 mm 处，螺栓的金相组织为奥氏体，该处敏化程度为二类-混合组织[1]，见图13、图14。

图13 1#螺栓金相组织（横向）

图14 2#螺栓金相组织（横向）

螺栓的硬度检测：1#螺栓硬度HV1.0/15s265.6（262.6，265.4，268.9），相当于252 HB 或24.8 HRC。2#螺栓硬度HV1.0/15s265.4（269.3，260.7，266.3），相当于252 HB 或24.8 HRC，均高于标准要求的200 HV 的上限。

根据螺栓金相分析结果，认为螺栓断口处的金相组织敏化严重，螺栓断裂性质为晶间应力腐蚀破坏。

2.4 电镜分析

使用扫描电镜对螺栓断口、表面（断口处附近）、基体等进行形貌观察和元素成分能谱分析。

（1）螺栓断口：裂纹起始于1#螺栓断口的边缘，由螺栓表面向内扩展；螺栓断口呈冰糖块状；表面附着非常多的腐蚀物，为沿晶断裂；能谱分析表明，这些腐蚀物中富集Cl、S、O 等元素，这些元素都具有较强的腐蚀性，见图15～图17。

图15 1#螺栓断口的SEM（沿晶断裂）

图16 1#螺栓断口SEM+EDAX

图17 1#螺栓断口SEM+EDAX

（2）螺栓表面：2#螺栓断口处附近的表面有很多腐蚀产物。能谱分析表明，这些腐蚀产物中也富集Cl、S、O 等元素，见图18。

图18 2#螺栓表面（断口处）SEM+EDAX

（3）螺栓基体：螺栓基体为单相奥氏体，其成分为Cr-Ni-Fe不锈钢，为18-8 型，与螺栓材质化学分析的结果一致，见图19。

图19 螺栓母材SEM+EDAX

3 综合分析

通过对断裂螺栓的多项理化分析，认为螺栓的断裂失效与螺栓材料、服役环境、应力状态等因素有重要关系。

（1）螺栓材料：经化学分析，虽然螺栓材质成分符合304不锈钢的标准要求，但螺栓基体组织的敏化严重，为三类-沟状组织。奥氏体不锈钢的敏化会降低其在腐蚀性介质中的耐蚀性能[2]。

螺栓基体组织发生敏化与螺栓的加热成型过程有关，若螺栓成型时的高温加热（450～850 ℃）时间较长，就容易导致其敏化的发生，且螺栓成型后未进行固溶化处理（或固溶化处理不彻底）。

（2）服役环境：螺栓用于阀门压盖的紧固，其服役环境为南方（高热、高湿）沿海工业大气环境中，当其接触到含有Cl、S、O 等元素的水时，容易发生点蚀、应力腐蚀等破坏。在海洋性盐雾大气和工业性大气的环境中，304 不锈钢的应力腐蚀敏感性增强[3]。

（3）受力状态：螺栓在预紧工况及内压作用下承受很高的拉应力和扭转应力。

综上所述，螺栓的断裂失效是在敏感材料、腐蚀性介质、静拉应力等因素的共同作用下发生的晶间应力腐蚀开裂。

4 结论及建议

4.1 结论

（1）螺栓中各元素含量基本满足ASTM A320 B8 中对于304不锈钢的成分要求

（2）螺栓金相组织为单相奥氏体，有敏化倾向，为三类-沟状组织。

（3）螺栓的断裂失效是沿晶的应力腐蚀开裂。

（4）螺栓材料的敏化、服役环境中存在的Cl、S、O 等元素的腐蚀性介质及螺栓受到的拉应力等是造成螺栓发生晶间应力腐蚀开裂的主要因素。其中螺栓的敏化与加热成型过程不当有关，且成型后未进行固溶化处理或者处理不彻底。

4.2 建议

（1）为避免填料压盖螺栓断裂情况的再次出现，在沿海工业环境中尽量不要使用304 不锈钢压盖螺栓，可以考虑使用316L不锈钢或2205 双相不锈钢。

（2）建议使用特氟龙等经过表面处理的螺栓，这种类型的螺栓可有效隔绝大气中引起应力腐蚀介质的接触。

（3）做好螺栓的保护，保证螺栓周围环境相对清洁，不要有杂物等。

（4）阀门制造厂应加强螺栓制作加工质量，防止敏化组织生成进而增加开裂风险。

（4）使用单位对安装在重要位置的阀门，加强入库前检验，委托第三方对阀体螺栓及填料压盖螺栓进行金相检验等。