重整装置液压先导阀压盖螺栓断裂原因分析

吴培毅 孙 涛 高 楠

（1. 中海油惠州石化有限公司，广东 惠州 516086；2. 沈阳中科韦尔腐蚀控制技术有限公司，辽宁 沈阳 110000）

0 引言

某石化公司催化重整装置程控阀液压先导阀的压盖螺栓发生了断裂。为查明断裂的原因，对其进行了腐蚀失效分析，以便采取相应的措施。

参数如下：液压先导阀的设计温度：40℃，设计压力：8.0MPa；操作温度：38℃，操作压力：4.6MPa。阀内介质：32#液压油；阀外介质：空气。

压盖螺栓为TUZ 12.9级美制细牙内六角杯头螺栓；螺栓材质为35CrMoA钢。

1 失效分析

1.1 螺栓的宏观、低倍分析

液压先导阀压盖螺栓断口处没有明显的塑性变形，为脆性断裂；裂纹起源于螺栓螺纹的根部，裂纹由螺栓外部向内扩展，在螺栓一侧的边缘处完全断裂，瞬断区形成了45°的剪切唇；螺栓的断口上有一定程度锈蚀，螺栓断口的裂纹源区锈蚀更为严重，如图1所示。

图1 压盖螺栓的宏观形貌及螺栓的低倍形貌

1.2 材质分析

从螺栓上切取块状样品，依据相关标准，使用光谱仪等对螺栓的材质进行化学成分分析。结果表明螺栓的材质成分符合35CrMoA钢的标准要求，如表1所示。

表1 螺栓材质的化学成分（wt%）

1.3 金相检验

在螺栓上切取金相样品，经预磨、抛光、腐刻后，在显微镜下观察分析，并使用显微硬度计对螺栓的硬度进行检测。

螺栓的硬度：HV434.1（432.0，435.6，434.7），接近于HRC44.7（HV436）。

螺栓裂纹起源于螺栓中部的螺纹根部，裂纹由外向内扩展；裂纹扩展区的螺栓断口有小的凸凹起伏；螺栓断口的最后瞬断区在螺栓的边缘处，并与螺栓的轴线成45°的夹角（剪切唇）如图2所示；螺栓的金相组织为回火托氏体[1]。

图2 螺栓的纵向金相组织（断口处-裂纹源区）

金相分析和硬度测试的结果表明，断裂螺栓的金相组织是回火托氏体。断裂螺栓的裂纹起始位置是由裂纹源区、裂纹扩展区、瞬断区组成；螺栓断口处没有明显地塑性变形，为脆性断裂（如图3所示），具有应力腐蚀和氢脆断裂的特征。

图3 螺栓的纵向金相组织（断口处-瞬断区）

1.4 电镜及能谱分析

使用扫描电镜，断口的裂纹起源于螺纹根部，裂纹由外向内沿晶扩展；螺栓断口的裂纹源区有腐蚀产物覆盖；能谱分析表明，断口裂纹源区有O、Na、S、Cl、K、Ca、Fe等元素（如图4所示）。

图4 螺栓断口的BEM+EDS（裂纹源区）

2 综合分析

通过压盖螺栓进行了多项理化分析，认为造成压盖螺栓断裂的主要因素是氢脆。

金属材料因受到氢的作用而引起的脆性断裂，统称为氢脆或氢致开裂。氢脆对螺栓类紧固件的危害是致命的，是螺栓失效的主要形式之一[2-5]。影响螺栓氢脆的因素较多，包括氢含量、工艺过程、材料强度、应力状态等。通常，金属材料中氢含量越高，氢脆的敏感性越高，对于超高强度钢的螺栓，要求氢含量小于1ppm。

螺栓在服役时，环境介质的腐蚀作用，也可以造成氢的渗入。对螺栓断口的电镜能谱分析，检测到在螺栓断口上，尤其是断口的裂纹源区，有腐蚀性元素O、S、Cl等的富集。因此，不能排除螺栓内部的氢是由外部环境介质对其腐蚀后，而进入的可能性。

材料强度越高，氢脆发生的临界应力就越低，孕育期越短，氢脆越敏感。还有，螺栓实际应力水平越高，特别是应力集中越严重，孕育期越短，氢脆越敏感。压盖螺栓是高强度螺栓，为12.9级，硬度接近HRC45，对氢脆的发生是十分敏感的。而且，螺栓的螺纹根部和螺栓头与螺杆交界的台阶处都是螺栓上严重应力集中的部位，是易于裂纹的萌生和起源处。

因此，认为压盖螺栓的断裂过程为：螺栓在紧固液压先导阀的阀盖时，会受到一定的拉应力及振动应力的作用，螺栓中的氢原子会向应力集中的部位聚集，而螺栓的螺纹根部和螺栓头与螺杆交界的台阶处正是应力集中的高危区域，该位置经过一段时间的孕育，氢浓度达到临界值时，在应力和氢原子的共同作用下，螺栓首先在这些氢脆敏感处开裂，这时缺口尖端强度因子虽高，但局部氢浓度减低，随即氢原子又向该高应力区聚集，又经过一段时间的孕育后，在裂纹尖端再次出现临界状态，于是发生二次开裂。随着氢脆裂纹的持续扩展，当螺栓的实际承载面积小于理论要求的承载面积时，螺栓就发生最后的断裂（瞬断）。正好解释了，为什么压盖螺栓断口的裂纹源区和裂纹扩展区是沿晶脆断的，而压盖螺栓断口的瞬断区却是由大量韧窝构成的。

3 结论及建议

3.1 结论

（1）压盖螺栓的材质为35CrMoA钢；

（2）压盖螺栓的金相组织为回火托氏体；压盖螺栓的硬度为HV428.6～434.1，相当于HRC44.1～44.7；

（3）压盖螺栓的断裂失效性质为氢脆；

（4）发生氢脆的原因与螺栓本身硬度较高，加工或服役过程中提供了氢侵入的环境条件，即本身的受力状态、服役环境、自身强度、氢含量等对螺栓氢脆断裂的发生和发展产生了重要的影响。

3.2 建议

（1）螺栓在生产加工过程中，如有酸洗、磷化、电镀等工序，要及时地进行工序后的除氢处理；

（2）螺栓在服役过程中，要对螺栓周围进行保洁清理，减少螺栓与外部环境中腐蚀性介质的接触；

（3）在保证螺栓紧固作用的前提下，降低螺栓的强度，减少螺栓的氢脆敏感性。