氫氣閥門使用工況及失效狀態(tài)

失效氫氣閥門為國產(chǎn)閥門，不銹鋼制，型號J41W－16P，公稱直徑25mm，公稱壓力1．6MPa，位于某氫氣管道的吹掃支管上。該氫氣管道設(shè)計壓力1MPa，   高使用壓力0．7MPa，使用溫度為常溫，建于2004年，已使用約9年。吹掃支管尺寸為DN25，其作用是在需要時通過接入氮氣等氣源對氫氣管道進行吹掃置換，因此，正常情況下該閥門應(yīng)處于常關(guān)狀態(tài)。閥門泄漏路徑在閥門閥體與閥桿連接法蘭中分面上。該對法蘭依靠4組緊固件緊固，每組由一個M8雙頭螺柱、2個螺帽和相應(yīng)的墊片組成。打開該中分面，發(fā)現(xiàn)緊固中分面法蘭的4個雙頭螺柱中有兩個發(fā)生斷裂。

氫氣閥門緊固螺柱斷裂原因分析

1.螺柱材質(zhì)分析

根據(jù)肉眼觀察可推測雙頭螺柱材質(zhì)為不銹鋼，查閱圖紙也證明了這一點，但圖紙并未給出具體的材料牌號，因此   先對螺柱材料的組織和化學成分進行分析。選取螺柱(斷裂螺柱)和螺柱(未開裂螺柱)進行化學成分檢測。由檢測結(jié)果可推測這批緊固螺柱的材料為奧氏體不銹鋼，但與常見的鉻鎳系奧氏體不銹鋼不同，它們的碳含量和錳含量較高，鉻和鎳的含量則較少，由此判斷其屬于鉻錳或鉻錳氮系奧氏體不銹鋼，相當于   200系列不銹鋼。然而，與不銹鋼標準中列有的鉻錳系奧氏體不銹鋼牌號對照，螺柱鋼材不符合任何一種牌號的不銹鋼。

2.螺柱斷裂原因分析及討論

根據(jù)以上斷口和金相組織分析結(jié)果來看，由于未觀察到疲勞輝紋，   先可排除疲勞引發(fā)斷裂的可能。其次，抗拉強度大于1050MPa的鋼材才會發(fā)生氫脆斷裂，而且奧氏體對氫的敏感程度較低，由于斷裂螺柱并非高強螺栓，材料組織為奧氏體，且斷口上未觀察到氫脆斷口上常見的“白點”，因此，雖然閥門介質(zhì)為氫氣，但螺柱發(fā)生氫脆的可能性基本也可排除。這樣，螺柱失效的原因可確定為與應(yīng)力腐蝕開裂有關(guān)，因為斷口形貌和其上殘存氯元素等特征與應(yīng)力腐蝕開裂常見的斷口特征基本吻合，而裂紋多分支形態(tài)在應(yīng)力腐蝕開裂中亦很典型。

不銹鋼產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂(SCC)需要具備三個基本條件：材料條件，即合金材料對特定的介質(zhì)敏感；環(huán)境條件，即合金材料處于敏感的腐蝕介質(zhì)中；力學條件，即合金材料受到   量的靜拉伸應(yīng)力作用。對于DN25的普通閥門而言，4個M8的不銹鋼螺柱足以承受正常的緊固拉力，并不存在負載過大的問題，然而，作為閥門緊固件，雙頭螺柱的主要作用就是通過被拉長來閥門法蘭的密封閉合，因此其軸向必然承受拉伸應(yīng)力作用，也就是說，其發(fā)生SCC的力學條件   存在。環(huán)境條件方面，氫氣管道閥門及其緊固螺柱均處于大氣環(huán)境中，似乎并不存在特別的腐蝕條件。然而，工廠大氣中不免存在硫氯等腐蝕性成分，而螺柱所處冷軋區(qū)域的空氣酸性成分含量可能   高，有時在腐蝕介質(zhì)濃度很低的情況下材料也會發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂，文獻［8］中也表明腐蝕性成分非?？赡茉趯ζ涿舾械慕饘俦砻婕毿喜鄣任⑿∪毕萏幐患瘽饪s。由此可以推測，斷口腐蝕產(chǎn)物中的氯就來源于氫氣閥門所處工業(yè)大氣。這說明螺柱發(fā)生SCC的環(huán)境條件同樣是   具備且很難被改變。因此，材料條件成為原因分析的關(guān)鍵。

從上文分析已知閥門緊固螺柱的材質(zhì)為鉻錳或鉻錳氮系奧氏體不銹鋼。與常見的鉻鎳系奧氏體不銹鋼相比，它們的共同之處在于兩者的組織形式都表現(xiàn)為奧氏體，鉻鎳系不銹鋼主要以鎳為奧氏體化元素，鉻錳系則減少了鎳的用量，通過加入較多的錳和氮來替代貴金屬鎳實現(xiàn)奧氏體化。錳在鋼中可以起到穩(wěn)定奧氏體的作用，氮可以   形成并穩(wěn)定奧氏體，同時還有很好的固溶作用，可提高奧氏體不銹鋼的強度。因此，與鉻鎳系不銹鋼相比，鉻錳系具有成本低(省鎳)、、好等優(yōu)點，近年來在國內(nèi)使用、發(fā)展較快。然而，鉻錳系不銹鋼抗晶間腐蝕和抗點腐蝕能力相對鉻鎳系較差，綜合力學性能、工藝性能及可焊性等加工性能也相對較差，只適宜在耐蝕性要求不太高的設(shè)備和部件上使用。

被分析螺柱材料的碳含量較高，達到了近0．3%。現(xiàn)有鉻錳系奧氏體不銹鋼品種較多，其中大部分品種的碳含量都低于0．15%，只有少部分品種的碳含量較高，如2Cr13Mn9Ni4的碳含量為0．15%～0.25%。盡管碳也是   奧氏體形成并提高不銹鋼強度的元素，但碳含量偏高對于不銹鋼的耐蝕性是不利的，它可能與鉻形成碳化物，造成晶界貧鉻，從而弱化螺柱的抗晶間腐蝕能力。事實上，螺

柱斷口微觀形貌確實表現(xiàn)出明顯的沿晶特征，說明其晶界比較薄弱，而這種薄弱應(yīng)該與碳含量偏高有較大關(guān)系。

總之，對于需要承受緊固拉力作用且長期處于腐蝕性大氣環(huán)境中的閥門緊固螺柱而言，選用碳含量較高的鉻錳系奧氏體不銹鋼不夠妥當。大氣中的氯離子很可能在螺紋縫隙或螺柱表面微裂紋內(nèi)附著并富集，使得材料破壞所需應(yīng)力下降，同時，這些氯離子會在垂直于螺柱拉應(yīng)力的方向侵入并破壞這些微小缺陷表面原有的氧化層保護膜，而拉伸應(yīng)力會使得缺陷   始終存在應(yīng)力集中，阻礙新保護膜形成或使得新形成的保護膜破裂，從而導致缺陷   始終暴露在氯離子等腐蝕介質(zhì)中，不斷通過電池作用而溶解。這樣，隨著時間的增長，螺柱表面原有的微小缺陷將逐漸長大，直至達到臨界尺寸而令螺柱突然脆斷。由于晶界處的保護膜   容易受到破壞，而碳含量較高的鉻錳奧氏體不銹鋼的晶界恰好又較弱，因此腐蝕會有選擇性地沿晶界進行，   終形成的斷口也就具有了沿晶斷裂特征。

當然，應(yīng)力腐蝕開裂的成因和過程非常復雜。除選材外，螺柱制造質(zhì)量也會在   程度上影響應(yīng)力腐蝕開裂的進程。前述對未斷裂螺柱的表面探傷檢查和對斷裂螺柱的內(nèi)部微觀檢查表明，這批螺柱至少部分存在一些制造欠佳的現(xiàn)象，包括心部存在粗大夾渣和開裂，以及外表面存在縱向分布線性缺陷。這些缺陷可能不是導致螺柱斷裂的直接原因，但它們會成為   螺柱斷裂的因素，并影響著螺柱起裂和裂紋擴展時間的長短。