当前位置: 手机皇冠滚球app网>毕业皇冠滚球app范文>

室温/低温循环交替下不锈钢螺栓的失效原因

阅读技巧m.Lw54.com 手机皇冠滚球app网
  摘要

螺栓是工业生产中常用的紧固件,不锈钢螺栓相比碳钢螺栓、合金钢螺栓,无论在低温、高温环境,其应用范围更为广泛,因此在石油、化工、冶金、能源、宇航工程和海洋开发等领域得到广泛应用。不锈钢螺栓失效断裂的事故在各石化企业时有发生,一旦管道阀门螺栓出现问题造成密封不严,导致有毒或易燃易爆介质泄漏,如不及时发现处理,很容易发生重大事故,因此不锈钢螺栓的使用安全是石化企业、低温设备安全管理的主要内容[1].由于奥氏体不锈钢中镍的质量分数在 8%以上,具有强烈的奥氏体稳定性能,在低于-196℃的环境下不会发生奥氏体向马氏体相转变,具有较高的组织稳定性和零部件的尺寸稳定性[2].因此,基于奥氏体不锈钢具有以上优异的组织稳定性,在室温和低温下工作具有极高结构稳定性和耐蚀性,是连接部件的理想材料。螺栓零件的横截面与最大应力方向垂直,在螺纹处应力比较集中,往往没有明显的塑性变形,不会发生断裂[3].
  
  某低温加注系统进行调试时,管路法兰连接处发生泄漏,经检查发现,法兰连接处的 6 个螺栓中 1 个螺栓已断裂,在拆卸其他 5 个螺栓的过程中,1 个在触碰下断裂,另外 2 个在用扳手拆除时断裂,4 个螺栓均为根部断裂。螺栓断面呈现锈蚀痕迹,螺栓材料为 M12×70,其制造标准为 GB/T 5782-2000.为了防止断裂现象的再次发生,对不锈钢螺栓在室温/低温循环交替环境下的失效原因进行了分析,得出了导致不锈钢螺栓应力腐蚀的的主要影响因素,并提出低温加注系统中螺栓应力腐蚀的预防措施。
  
  1 理化检验与结果
  
  1.1 螺栓宏观检查
  
  对螺栓断口进行宏观及微观分析是寻找断裂原因最有效的方法[4-7].对更换下来的 6 根螺栓(编号1]-6])及同批次 1 根未使用的螺栓进行观察,宏观形貌如图。从图 1 中可以看出,6 根螺栓大部分表面及断面均存在不同程度的腐蚀现象,腐蚀区域存在灰黑色及棕红色腐蚀产物,其中 4 根(编号 1]-4])螺栓断裂部位均在头部与螺杆部相连的直角处。采用体视显微镜对螺栓断口进行观察,发现 4 个断裂螺栓断口宏观形貌相似:断口较平齐,断口与螺栓轴线垂直,断口处布满棕黄色的腐蚀产物,整个口的宏观特征为解理断口螺帽上有明显点蚀坑和点蚀孔,如图 2所示。
  
  2.1 螺栓断口的微观检测
  
  利用扫描电镜对螺栓断口进行分析,观察断口的表面微观形貌和表面腐蚀产物成分。螺栓断口的微观形貌如图 3 所示,断口上的腐蚀产物能谱如图 4 所示。
  
  图 3 螺栓断口微观形貌分析图 4 螺栓材料能谱分析从图 3 中可以看出,螺栓断口的微观形貌均为沿晶特征,晶粒间的二次裂纹清析可见,断口材料能谱分析结果表明:断口表面及螺栓表面腐蚀区域的成分基本一致,均主要含有 Fe,Cr,Mn,O,S,Cl 元素,无腐蚀产物覆盖区域主要含有 Fe,Cr(9.8%),Mn(17.6%),Cu(1.2%)元素,对比螺栓断口表面与无腐蚀产物断口表面,发现奥氏体不锈钢腐蚀产物主要富集元素 Cl 和 S,说明氯化物和硫化物直接促进奥氏体不锈钢的腐蚀。
  
  2.2 螺栓的材质成分检测
  
  制造失效螺栓的奥氏体不锈钢化学成分(GB/T1220-2007)的成分区间见表1,同时给出了发生断裂螺栓的化学成分分析结果。
  
  从表 1 中可以看出,失效螺栓所用材料的元素组成及含量与 GB/T 1220-2007 中的要求存在一定的偏差。实测值中,Ni 的质量分数为 0.07%,Cr 为9.32%,而标准中 Ni 与 Cr 的质量分数分别为 8%~19%和 15%~20%,同时 Mn 为 17.8%,严重超出标准值。不锈钢材料中,铬、镍当量比是决定材料组织结构、力学性能和耐腐蚀性能的重要参数,钢中的镍含量远远低于标准成分,奥氏体极不稳定,在冷却过程中易形成脆性高的马氏体组织。在承受拉应力下,极易发生脆性断裂。铬是增强耐蚀性的主要元素,铬与氧结合生成耐腐蚀的 Cr2O3钝化膜,阻止腐蚀性离子侵入基体,能够提高不锈钢的耐蚀性能,因此 Cr含量越高,不锈钢的钝化膜修复能力越强,钝化膜的致密度越大,一般不锈钢中 Cr 的质量分数必须在12%以上,才具有明显的耐腐蚀性。另一方面,不锈钢中 Ni 元素是主要的奥氏体稳定元素,镍含量偏低,奥氏体的稳定性下降,铁素体和马氏体的含量增加,材料的塑韧性下降,从而基体的电化学性能不均匀。失效螺栓的元素不合格是导致制造螺栓材质不达标的主要原因,同时也是导致材料力学性能和腐蚀性能不合格的主要原因。钢中的杂质元素超出标准值是导致材料晶间弱化的主要原因。问题螺栓的主要化学成分含量不符合奥氏体不锈钢紧固件化学成分的标准含量,因此导致了材料的抗腐蚀性能下降,同时导致螺栓的低温性能下降。
     螺栓材料化学分析结果   
  3 讨论与分析