電站鍋爐閥門螺栓斷裂原因分析

某石化公司電站鍋爐，鍋爐冷凝器下降管線的一個(gè)節(jié)流閘閥的閥蓋緊固螺栓突然發(fā)生斷裂，造成大量蒸汽泄漏，造成緊急停工，更換了閥門。

　　冷凝器的介質(zhì)為108℃高溫水與200℃蒸汽混合，壓力大約36kg/cm2。失效閥門型號(hào)為JZ46W，規(guī)格DN50，2006年6月投入使用，使用周期接近四年半。閥門的閥蓋等部件未發(fā)現(xiàn)異常，只有閥蓋連接到閥體上的緊固螺栓發(fā)生了斷裂。

　　閥門的緊固螺栓為六角法蘭面型螺栓，4根緊固螺栓中的3根發(fā)生了斷裂，1根未發(fā)生斷裂。見圖1。

1、宏觀檢查

　　將4根螺栓從閥蓋中取出清洗，并進(jìn)行宏觀檢查。螺栓斷裂部位不是在螺紋處，而是在螺栓的端帽根部。見圖2。從斷裂螺栓斷口表面可看出，灰暗色區(qū)域較大，比較新鮮的區(qū)域較小?；野瞪珔^(qū)域應(yīng)該是前期開裂后的斷口受到了氧化腐蝕，比較新鮮的區(qū)域應(yīng)該是這次突然斷裂的新斷口[圖2(a)]。螺栓的端帽部分應(yīng)該是鍛造成形?？拷鼣嗫诘亩嗣蓖饩壊糠执嬖诙鄺l明顯的鍛造裂紋。見圖2(b)。

2、對(duì)螺栓斷口進(jìn)行微觀檢測(cè)分析

　　將3個(gè)斷裂螺栓和1個(gè)斷裂端帽用超聲波清洗器反復(fù)清洗干凈，利用進(jìn)口的掃描電鏡和能譜儀觀察分析4個(gè)斷口的表面微觀形貌，分析腐蝕產(chǎn)物成分。從斷口的微觀形貌可以看出，斷口大部分區(qū)域的微觀形貌均為沿晶特征，即裂紋是沿著晶界開裂的，屬于典型的脆性斷口。對(duì)斷口灰暗色區(qū)域進(jìn)行200倍電鏡掃描，可以看出沿晶斷口的表面覆蓋了一層腐蝕產(chǎn)物，經(jīng)成分分析，腐蝕產(chǎn)物以氧化鐵為主，其中腐蝕產(chǎn)物中存在Cl元素和S元素。見圖3和圖4。

　　對(duì)斷口新鮮區(qū)域進(jìn)行200倍電鏡掃描，斷口新鮮區(qū)域的很小部分的微觀形貌不是沿晶特征，而是韌窩特征，韌窩是正常塑性斷裂的斷口特征。這說(shuō)明螺栓斷裂屬于延遲斷裂，即首先萌生裂紋，其次裂紋擴(kuò)展，最后突然斷裂。

　　從螺栓端帽外緣區(qū)域的微觀形貌可以看出，螺栓鍛造成形工藝不規(guī)范，鍛造溫度較低，螺栓端帽部位墩粗變形量較大，從而產(chǎn)生較多的鍛造裂紋，而鍛造后也未進(jìn)行二次加工以去除這些裂紋。

3、螺栓材質(zhì)成分檢測(cè)分析

　　從1個(gè)斷裂螺栓上取樣，利用直讀光譜儀和碳硫分析儀檢測(cè)分析螺栓的材質(zhì)成分。見表1。

　　常用于螺栓的不銹鋼材質(zhì)為1Cr17Ni7和1Cr18Ni9，但是按照國(guó)標(biāo)GB/T1220-1992(不銹鋼的牌號(hào)和化學(xué)成分)標(biāo)準(zhǔn)，斷裂螺栓的材質(zhì)成分不符合1Cr17Ni7和1Cr18Ni9，而比較接近lCrl8Mn8Ni5N。但是，按照國(guó)標(biāo)lCrl8Mn8Ni5N要求，斷裂螺栓的材質(zhì)成分中，含C量偏高，含Cr量偏低，這就大大降低了其耐蝕性能。

　　4、螺栓金相組織檢測(cè)分析

　　從斷裂螺栓截取2個(gè)試樣，用水砂紙對(duì)其預(yù)磨、精磨、研磨、拋光和王水溶液浸蝕，制備成金相試樣。利用金相顯微鏡對(duì)1個(gè)試樣金相組織進(jìn)行檢測(cè)分析;另1個(gè)試樣用進(jìn)口的掃描電鏡對(duì)其鍛造缺陷進(jìn)行觀察分析。經(jīng)檢測(cè)，螺栓的金相組織為奧氏體，晶粒度評(píng)定等級(jí)為6級(jí)，組織比較粗大。

　　由螺栓的鍛造缺陷微觀形態(tài)可以看出，螺栓的表面和內(nèi)部均發(fā)現(xiàn)較大的鍛造裂紋和夾雜物，而且斷口和裂紋附近均發(fā)現(xiàn)明顯的沿晶開裂形態(tài)，這說(shuō)明螺栓的沿晶開裂主要與鍛造缺陷有關(guān)。

5、螺栓斷裂原因分析及對(duì)策

　　經(jīng)過上述檢測(cè)分析可知，閥門螺栓失效部位處于端帽根部，失效性質(zhì)屬于脆性延遲斷裂，斷口類型為沿晶特征。

　　(1)經(jīng)過檢測(cè)分析，可見為閥門原始制造過程中，廠家對(duì)配件把關(guān)不嚴(yán)，沒有重視配件質(zhì)量，導(dǎo)致使用過程中閥蓋螺栓出現(xiàn)斷裂，導(dǎo)致停工。針對(duì)閥門螺栓的斷裂問題，立即開展排查，對(duì)同廠家閥門進(jìn)行了更換，同時(shí)吸取教訓(xùn)，加強(qiáng)到貨閥門的質(zhì)量檢查，對(duì)關(guān)鍵部位的閥門配件進(jìn)行抽檢，確保使用過程的安全可靠。

　　(2)螺栓斷裂的主要原因?yàn)槁菟ù嬖诓馁|(zhì)缺陷，具體表現(xiàn)為：①螺栓的材質(zhì)成分不符合國(guó)標(biāo)要求，含C量偏高，含Cr量偏低，降低了其耐晶間腐蝕性能;②螺栓的端帽鍛造成形工藝不規(guī)范，鍛造的溫度偏低，造成端帽根部產(chǎn)生鍛造裂紋等缺陷;③螺栓鍛后未進(jìn)行熱處理，端帽根部存在殘余應(yīng)力，并且冷卻時(shí)晶界析出含鉻碳化物，造成晶界弱化，容易發(fā)生沿晶開裂。

　　螺栓斷裂的次要因素為環(huán)境溫度波動(dòng)和介質(zhì)腐蝕因素，具體表現(xiàn)為：閥門經(jīng)受的溫度波動(dòng)造成螺栓產(chǎn)生熱疲勞應(yīng)力，加速裂紋萌生和擴(kuò)展。