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[摘 要]为找出螺栓断裂的原因，以防止类似事故再次发生，对断裂螺栓的化学成分、显微组织、断口微观形貌及腐蚀产物进行了分析，制定预防措施。
[关键词]阀门 电镜分析 预防措施及建议
中图分类号：D565 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）41-0364-01
前言
该阀门型号为“Z41H-64，Dg15”，材质为不锈钢。该批阀门共有238只，自2004年10月投用至今，已先后有4只阀门出现阀盖螺栓断裂，导致物料泄漏（工作介质：二氯乙烷、氯化氢等），图1为其中的一只。4根阀盖螺栓中有两根断裂，而另外两根完好。图2断裂螺栓残骸的形貌。
对比未断螺栓，两根断裂螺栓的断口均发生在螺栓根部。宏观下，断口断面平直，垂直于螺栓轴线，具有脆性特征。2#螺栓断口裂纹扩展区和最终瞬断区明显，1#螺栓断口似乎只有裂纹扩展区，而最终瞬断区不明显。这表明1#螺栓先于2#螺栓断裂。裂纹扩展区表面覆盖有腐蚀或氧化产物，1#螺栓呈棕褐色，且具有较大的点蚀凹坑；2#螺栓呈黄褐色。最终瞬断区是由于裂纹扩展使螺栓有效承载截面不断减小而最终发生的瞬间断裂区，表面光亮，并存在较小的撕裂棱线，即剪切唇。
为找出螺栓断裂的原因，以防止类似事故再次发生，本文对所提供的断裂螺栓的化学成分、显微组织、断口微观形貌及腐蚀产物进行了分析，同时还对螺栓载荷进行了估算。
一、化学成分分析
从1#螺栓上取样进行化学成分分析， 用化学法测得的结果见表1
螺栓材质属于200系列铬锰不锈钢种，对照《不锈钢和耐热钢 牌号及化学成分》GB/T20878-2007标准，其碳、铬、锰、镍含量最接近的棒材牌号为20Cr13Mn9Ni4（旧牌号2Cr13Mn9Ni4），但锰含量明顯偏高，而碳含量偏低。
瞬断区断口处除碳C含量明显偏高外，其它合金元素含量相当。
二、显微组织分析
为从金属学角度找出失效的原因，分别从两断裂螺栓的断口处和离断口约12mm处截取横向试样（因螺栓直径太小，无法截取纵向试样）进行显微组织检验。结果表明：1#断裂螺栓在近断口处的组织为奥氏体+沿晶分布铁素体，晶内有滑移带，且存在有多条穿晶裂纹；而离断口12mm处的组织为奥氏体。2#断裂螺栓在近断口处的组织为奥氏体+孪晶组织，晶内有滑移带，且存在有多条沿晶裂纹；而离断口12mm处的组织为奥氏体+少量孪晶组织，晶内有滑移带。
低倍组织晶粒度基本正常。
三、裂纹扩展区断口微观形貌
在扫描电镜下，螺栓裂纹扩展区的断口微观形貌呈泥状花样，形同干裂的泥巴，并具有二次裂纹特征，在晶粒上可看到腐蚀坑的微观形貌。这种形态常在穿晶型应力腐蚀断口上发现。
螺栓裂纹扩展区的断口微观形貌既呈泥块状花样，又具有明显的冰糖块状特征，二次裂纹明显可见，并具有大量的腐蚀坑。断口微观形貌属于沿晶+穿晶混合型应力腐蚀断口。
四、裂纹扩展区腐蚀产物分析
为了进一步分析断裂机制，找出导致腐蚀发生的主要因素，对断裂螺栓断口上的腐蚀产物进行了多点能谱分析，两螺栓的腐蚀产物中，除材料的合金元素外，主要含有氧O、氯Cl和少量的硫S等元素，这表明腐蚀产物主要是氧和氯的化合物。两螺栓腐蚀产物中的氧、氯、硫平均含量。
五、原因分析
综合以上分析结果，可以得出以下结论：
1.螺栓材质属于200系列铬锰不锈钢种，但其成分既不符合国家钢种标准，也不符合国外钢种标准。
2.根据实际工作环境，可以判定造成螺栓断裂失效的主要原因是遇水分解的酸性氯化物介质引发的应力腐蚀破裂。1#螺栓的裂纹源为点蚀。因为点蚀是奥氏体不锈钢常发生的一种局部腐蚀，其机理可解释为：在氯化物（或其他卤素离子）存在的环境里，介质中的活性阴离子Cl-首先被吸附在金属表面某些点上，从而使不锈钢表面起保护作用的钝化膜发生破坏。2#螺栓裂纹源为冷加工裂纹，并在Cl-的促进下引起的沿晶型应力腐蚀破裂。
3.螺栓材质选择不当。200系列铬锰不锈钢，虽因锰含量较高，其屈服强度也相对较高，有时候比304 铬镍钢的强度高出30%。但由于加锰减镍使得可添加铬的量相应减少，因此200系列铬锰不锈钢对于所有类型腐蚀的抗力均比300系列铬镍不锈钢差。
七、预防措施与建议
应力腐蚀破裂是应力和腐蚀环境相结合造成的。所以，只要消除应力和腐蚀环境两者中的任何一个因素，便可以防止裂纹的产生。实际上既无法完全消除螺栓中的工作应力，又无法使螺栓完全摆脱腐蚀性环境。采用上述方法防止应力腐蚀几乎是不可能的。因此，解决这个问题主要措施是改变螺栓材料，并在结构和制造上加以某些限制。
1.根据螺栓载荷的估算结果，螺栓所承受的工作应力不高，因此出于经济适用考虑，可将螺栓材料改用碳钢或低合金钢。因为在含有氯离子的水中，奥氏体不锈钢可能产生应力腐蚀破裂，而碳钢或低合金钢一般没有这种危险。
2.为减少根部应力集中，螺栓应采用加大系列B型六角法兰面螺栓GB/T 5789-1986。
参考文献
[1] 黄嘉琥编.压力容器材料实用手册. 北京：化学工业出版社，1997.
[2] 姜伟之编.工程材料的力学性能. 北京：航天大学出版社，2000.
[3] 赵忠主编.金属材料及热处理. 北京：机械工业出版社，1996.
[4] 左景伊等编.腐蚀数据与选材手册. 北京：化学工业出版社，1995.
[关键词]阀门 电镜分析 预防措施及建议
中图分类号：D565 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）41-0364-01
前言
该阀门型号为“Z41H-64，Dg15”，材质为不锈钢。该批阀门共有238只，自2004年10月投用至今，已先后有4只阀门出现阀盖螺栓断裂，导致物料泄漏（工作介质：二氯乙烷、氯化氢等），图1为其中的一只。4根阀盖螺栓中有两根断裂，而另外两根完好。图2断裂螺栓残骸的形貌。
对比未断螺栓，两根断裂螺栓的断口均发生在螺栓根部。宏观下，断口断面平直，垂直于螺栓轴线，具有脆性特征。2#螺栓断口裂纹扩展区和最终瞬断区明显，1#螺栓断口似乎只有裂纹扩展区，而最终瞬断区不明显。这表明1#螺栓先于2#螺栓断裂。裂纹扩展区表面覆盖有腐蚀或氧化产物，1#螺栓呈棕褐色，且具有较大的点蚀凹坑；2#螺栓呈黄褐色。最终瞬断区是由于裂纹扩展使螺栓有效承载截面不断减小而最终发生的瞬间断裂区，表面光亮，并存在较小的撕裂棱线，即剪切唇。
为找出螺栓断裂的原因，以防止类似事故再次发生，本文对所提供的断裂螺栓的化学成分、显微组织、断口微观形貌及腐蚀产物进行了分析，同时还对螺栓载荷进行了估算。
一、化学成分分析
从1#螺栓上取样进行化学成分分析， 用化学法测得的结果见表1
螺栓材质属于200系列铬锰不锈钢种，对照《不锈钢和耐热钢 牌号及化学成分》GB/T20878-2007标准，其碳、铬、锰、镍含量最接近的棒材牌号为20Cr13Mn9Ni4（旧牌号2Cr13Mn9Ni4），但锰含量明顯偏高，而碳含量偏低。
瞬断区断口处除碳C含量明显偏高外，其它合金元素含量相当。
二、显微组织分析
为从金属学角度找出失效的原因，分别从两断裂螺栓的断口处和离断口约12mm处截取横向试样（因螺栓直径太小，无法截取纵向试样）进行显微组织检验。结果表明：1#断裂螺栓在近断口处的组织为奥氏体+沿晶分布铁素体，晶内有滑移带，且存在有多条穿晶裂纹；而离断口12mm处的组织为奥氏体。2#断裂螺栓在近断口处的组织为奥氏体+孪晶组织，晶内有滑移带，且存在有多条沿晶裂纹；而离断口12mm处的组织为奥氏体+少量孪晶组织，晶内有滑移带。
低倍组织晶粒度基本正常。
三、裂纹扩展区断口微观形貌
在扫描电镜下，螺栓裂纹扩展区的断口微观形貌呈泥状花样，形同干裂的泥巴，并具有二次裂纹特征，在晶粒上可看到腐蚀坑的微观形貌。这种形态常在穿晶型应力腐蚀断口上发现。
螺栓裂纹扩展区的断口微观形貌既呈泥块状花样，又具有明显的冰糖块状特征，二次裂纹明显可见，并具有大量的腐蚀坑。断口微观形貌属于沿晶+穿晶混合型应力腐蚀断口。
四、裂纹扩展区腐蚀产物分析
为了进一步分析断裂机制，找出导致腐蚀发生的主要因素，对断裂螺栓断口上的腐蚀产物进行了多点能谱分析，两螺栓的腐蚀产物中，除材料的合金元素外，主要含有氧O、氯Cl和少量的硫S等元素，这表明腐蚀产物主要是氧和氯的化合物。两螺栓腐蚀产物中的氧、氯、硫平均含量。
五、原因分析
综合以上分析结果，可以得出以下结论：
1.螺栓材质属于200系列铬锰不锈钢种，但其成分既不符合国家钢种标准，也不符合国外钢种标准。
2.根据实际工作环境，可以判定造成螺栓断裂失效的主要原因是遇水分解的酸性氯化物介质引发的应力腐蚀破裂。1#螺栓的裂纹源为点蚀。因为点蚀是奥氏体不锈钢常发生的一种局部腐蚀，其机理可解释为：在氯化物（或其他卤素离子）存在的环境里，介质中的活性阴离子Cl-首先被吸附在金属表面某些点上，从而使不锈钢表面起保护作用的钝化膜发生破坏。2#螺栓裂纹源为冷加工裂纹，并在Cl-的促进下引起的沿晶型应力腐蚀破裂。
3.螺栓材质选择不当。200系列铬锰不锈钢，虽因锰含量较高，其屈服强度也相对较高，有时候比304 铬镍钢的强度高出30%。但由于加锰减镍使得可添加铬的量相应减少，因此200系列铬锰不锈钢对于所有类型腐蚀的抗力均比300系列铬镍不锈钢差。
七、预防措施与建议
应力腐蚀破裂是应力和腐蚀环境相结合造成的。所以，只要消除应力和腐蚀环境两者中的任何一个因素，便可以防止裂纹的产生。实际上既无法完全消除螺栓中的工作应力，又无法使螺栓完全摆脱腐蚀性环境。采用上述方法防止应力腐蚀几乎是不可能的。因此，解决这个问题主要措施是改变螺栓材料，并在结构和制造上加以某些限制。
1.根据螺栓载荷的估算结果，螺栓所承受的工作应力不高，因此出于经济适用考虑，可将螺栓材料改用碳钢或低合金钢。因为在含有氯离子的水中，奥氏体不锈钢可能产生应力腐蚀破裂，而碳钢或低合金钢一般没有这种危险。
2.为减少根部应力集中，螺栓应采用加大系列B型六角法兰面螺栓GB/T 5789-1986。
参考文献
[1] 黄嘉琥编.压力容器材料实用手册. 北京：化学工业出版社，1997.
[2] 姜伟之编.工程材料的力学性能. 北京：航天大学出版社，2000.
[3] 赵忠主编.金属材料及热处理. 北京：机械工业出版社，1996.
[4] 左景伊等编.腐蚀数据与选材手册. 北京：化学工业出版社，1995.