液氯储罐压力表用螺栓断裂失效分析

对液氯储罐压力表用螺栓的断裂进行了失效分析。通过对化学成分分析、断口分析和金相检验，探讨了压力表用螺栓断裂的主要原因，并提出了相应的预防措施。

某装置中液氯储罐压力表法兰用螺栓材料为不锈钢SS304，A2-70型。螺栓暴露于大气中，工作温度为环境温度。该螺栓在服役三年后断裂，造成泄漏。为了分析螺栓断裂的原因，避免类似的事件再次发生，本文通过对断裂螺栓的结构、紧固工艺、受力、成分、金相组织以及断口进行了分析，研究了螺栓断裂的起因及其断裂机制，并提出了相应的预防措施。

1.实验分析

1.1螺栓成分分析

该法兰上断裂螺栓的图片见图1。在法兰上共有四支螺栓，其中两支断裂，断裂均发生在螺杆的非螺纹部分，如图1(c)、(d)所示。

采用直读光谱仪对螺栓及螺母进行了化学成分分析，结果如表1所示。可看出，虽然螺母的化学成分基本符合SS304标准材料的要求，但是螺栓螺杆部分的铬、镍含量均低于国标中SS304的要求，锰含量又高于SS304的要求。这就表明，断裂的螺栓为化学成分不合格螺栓。由于铬、镍可以提高钢基体的电极电位，提高不锈钢的耐腐蚀能力。同时，铬、镍还可以促进在钢的表面形成一层稳定的、完整的与钢的基体结合牢固的纯化膜，提高不锈钢的耐腐蚀性能。因此，这两种元素是不锈钢提高耐蚀性能的关键元素。若不锈钢中铬、镍的含量降低，必定降低材料的耐腐蚀性。

1.2断口分析

图2为No.3和No.4螺栓断口的宏观形貌，图3为体视显微镜下螺栓断口的宏观形貌。从图2可看出，断口为脆性断裂，没有明显的塑性变形。从图3中可以清晰地看出，整个断口表面都被腐蚀产物（铁锈层)所覆盖。

图4为体视显微镜下观察螺杆部分的点蚀坑和裂纹。可看出，在螺栓断口附近的螺杆表面发现点蚀坑以及裂纹。另外，从图4还可看出，螺杆表面粗糙不平。

1.3金相检查

金相检验是断裂分析中的重要手段。通过金相检验可以查明断裂损坏的原因，例如某些由于材质缺陷或者环境介质等因素所导致的破坏，需要通过金相检验来判别损坏的原因。同时，在对裂纹进行检查时，裂纹尖端的试样往往可以提供最有价值的信息。这是由于裂纹尖端受环境介质的影响较小，容易判别裂纹扩展路径的方式。因此，本文中对断裂的螺栓进行了金相检查，如图5所示，在端口部分沿线1方向切下，沿线2将断口表面垂直剖开，可以观察到裂纹末端。

图6为未浸蚀前裂纹的形貌。可以看出，裂纹扩展不是直线方向。试样浸蚀后可看出，裂纹沿晶界扩展的特征更加明显，如图7所示。同时，从该图中还可看出，有大量的碳化物沿晶界分布。

2.断裂分析

断裂螺栓螺杆的化学成分中铬、镍的含量偏低，锰、铜的含量偏高，不符合GBSS304的要求，为不合格的A2-70螺栓，这极大地降低了螺栓的耐蚀性。同时，螺杆表面粗糙，有很多加工缺陷’这些都可以成为点蚀，甚至是腐蚀裂纹的起始点。金相检查结果表明，有碳化物沿晶界分布，而裂纹均沿晶界扩展。这可能是因为螺栓材料进行热处理时，由于热处理制度不当，造成碳化物(Fe、Cr)aC6从奥氏体中析出而分布在晶界上[5]。这种碳化物的铬含量高于奥氏体基体，它的析出消耗了晶界附近大量的铬，而消耗的铬不能从晶粒中通过扩散及时得到补充，因为铬的扩散速度很慢，所以造成晶界附近的含铬量低于钝化必须的限量，形成贫铬区，因而钝态遭到破坏，提高了螺栓晶间腐蚀的敏感性。因此，在应力和腐蚀介质(微泄漏的氯气）的共同作用下，以晶间腐蚀为起源，发展成应力腐蚀开裂，导致螺栓的断裂。

3.结论及建议

螺栓的断裂为应力腐蚀开裂，螺栓的化学成分不符合SS304要求，同时表面有加工缺陷造成断裂源。建议用合格的A2-70更换所有的螺栓。在更换之前，检查螺栓的材料是否合格，或者采用碳钢螺栓涂富锌漆代替不锈钢螺栓。但是若采用碳钢螺栓，必须定期进行涂漆维护。