對液氯儲罐壓力表用螺栓的斷裂進(jìn)行了失效分析。通過對化學(xué)成分分析、斷口分析和金相檢驗，探討了壓力表用螺栓斷裂的主要原因，并提出了相應(yīng)的預(yù)防措施。

某裝置中液氯儲罐壓力表法蘭用螺栓材料為不銹鋼SS304，A2-70型。螺栓暴露于大氣中，工作溫度為環(huán)境溫度。該螺栓在服役三年后斷裂，造成泄漏。為了分析螺栓斷裂的原因，避免類似的事件再次發(fā)生，本文通過對斷裂螺栓的結(jié)構(gòu)、緊固工藝、受力、成分、金相組織以及斷口進(jìn)行了分析，研究了螺栓斷裂的起因及其斷裂機制，并提出了相應(yīng)的預(yù)防措施。

1.實驗分析

1.1螺栓成分分析

該法蘭上斷裂螺栓的圖片見圖1。在法蘭上共有四支螺栓，其中兩支斷裂，斷裂均發(fā)生在螺桿的非螺紋部分，如圖1(c)、(d)所示。

采用直讀光譜儀對螺栓及螺母進(jìn)行了化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示�？煽闯�，雖然螺母的化學(xué)成分基本符合SS304標(biāo)準(zhǔn)材料的要求，但是螺栓螺桿部分的鉻、鎳含量均低于國標(biāo)中SS304的要求，錳含量又高于SS304的要求。這就表明，斷裂的螺栓為化學(xué)成分不合格螺栓。由于鉻、鎳可以提高鋼基體的電極電位，提高不銹鋼的耐腐蝕能力。同時，鉻、鎳還可以促進(jìn)在鋼的表面形成一層穩(wěn)定的、完整的與鋼的基體結(jié)合牢固的純化膜，提高不銹鋼的耐腐蝕性能。因此，這兩種元素是不銹鋼提高耐蝕性能的關(guān)鍵元素。若不銹鋼中鉻、鎳的含量降低，必定降低材料的耐腐蝕性。

1.2斷口分析

圖2為No.3和No.4螺栓斷口的宏觀形貌，圖3為體視顯微鏡下螺栓斷口的宏觀形貌。從圖2可看出，斷口為脆性斷裂，沒有明顯的塑性變形。從圖3中可以清晰地看出，整個斷口表面都被腐蝕產(chǎn)物（鐵銹層)所覆蓋。

圖4為體視顯微鏡下觀察螺桿部分的點蝕坑和裂紋。可看出，在螺栓斷口附近的螺桿表面發(fā)現(xiàn)點蝕坑以及裂紋。另外，從圖4還可看出，螺桿表面粗糙不平。

1.3金相檢查

金相檢驗是斷裂分析中的重要手段。通過金相檢驗可以查明斷裂損壞的原因，例如某些由于材質(zhì)缺陷或者環(huán)境介質(zhì)等因素所導(dǎo)致的破壞，需要通過金相檢驗來判別損壞的原因。同時，在對裂紋進(jìn)行檢查時，裂紋尖端的試樣往往可以提供最有價值的信息。這是由于裂紋尖端受環(huán)境介質(zhì)的影響較小，容易判別裂紋擴展路徑的方式。因此，本文中對斷裂的螺栓進(jìn)行了金相檢查，如圖5所示，在端口部分沿線1方向切下，沿線2將斷口表面垂直剖開，可以觀察到裂紋末端。

圖6為未浸蝕前裂紋的形貌�？梢钥闯�，裂紋擴展不是直線方向。試樣浸蝕后可看出，裂紋沿晶界擴展的特征更加明顯，如圖7所示。同時，從該圖中還可看出，有大量的碳化物沿晶界分布。

2.斷裂分析

斷裂螺栓螺桿的化學(xué)成分中鉻、鎳的含量偏低，錳、銅的含量偏高，不符合GBSS304的要求，為不合格的A2-70螺栓，這極大地降低了螺栓的耐蝕性。同時，螺桿表面粗糙，有很多加工缺陷’這些都可以成為點蝕，甚至是腐蝕裂紋的起始點。金相檢查結(jié)果表明，有碳化物沿晶界分布，而裂紋均沿晶界擴展。這可能是因為螺栓材料進(jìn)行熱處理時，由于熱處理制度不當(dāng)，造成碳化物(Fe、Cr)aC6從奧氏體中析出而分布在晶界上[5]。這種碳化物的鉻含量高于奧氏體基體，它的析出消耗了晶界附近大量的鉻，而消耗的鉻不能從晶粒中通過擴散及時得到補充，因為鉻的擴散速度很慢，所以造成晶界附近的含鉻量低于鈍化必須的限量，形成貧鉻區(qū)，因而鈍態(tài)遭到破壞，提高了螺栓晶間腐蝕的敏感性。因此，在應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)(微泄漏的氯氣）的共同作用下，以晶間腐蝕為起源，發(fā)展成應(yīng)力腐蝕開裂，導(dǎo)致螺栓的斷裂。

3.結(jié)論及建議

螺栓的斷裂為應(yīng)力腐蝕開裂，螺栓的化學(xué)成分不符合SS304要求，同時表面有加工缺陷造成斷裂源。建議用合格的A2-70更換所有的螺栓。在更換之前，檢查螺栓的材料是否合格，或者采用碳鋼螺栓涂富鋅漆代替不銹鋼螺栓。但是若采用碳鋼螺栓，必須定期進(jìn)行涂漆維護(hù)。