海上平台工艺管线螺栓断裂失效分析研究

张充霖 (中海石油技术检测有限公司, 天津 300452)

0 引言

随着海洋石油工业的不断发展，压力容器和工艺管线数量不断攀升，对其可靠性和安全性也提出越来越高的要求。法兰连接是最常见的密封连接形式，而螺栓是确保法兰连接密封性、安全性的重要紧固件。若发生失效，将直接导致对环境的污染和资源的浪费，甚至发生重大安全事故如火灾、爆炸等，因此需要对失效螺栓开展系统性研究，分析缺陷性质、成因，可为螺栓制造工艺以及使用者日常管理提供技术支持。

1 螺栓失效分析技术

失效分析技术是对已失效器材进行的一种事后检查，使用的技术手段包括声学、光学、力学、化学、电学等，目的在于验证所报告的失效，确定失效的模式，找出失效的机理。而对于螺栓来说，可采用宏观检查、元素成分分析法、硬度试验、显微观测等技术，最后综合各试验的数据结果进行失效机理分析。

分析的流程为：（1）宏观检查；（2）元素成分分析；（3）硬度试验；（4）显微观测；（5）综合分析。

2 案例分析

文章以南海某平台的工艺管线放空阀的下阀盖上的3条断裂失效螺栓为例开展分析，螺栓试件如图1所示。根据失效螺栓的规格、断口形貌和工作环境，综合运用火花放电原子发射光谱技术、硬度试验分析技术、金属微观组织分析技术以及热场发射扫描电子显微技术等手段，对失效螺栓开展包括宏观检查、元素成分分析、硬度测试、显微组织分析、断口及腐蚀产物分析。 综合以上检测结果，对造成螺栓的失效原因进行分析判断。

2.1 宏观检查

图1 失效螺栓照片

上述三根螺栓中，有两根属于根部断裂，其余一根为中间断裂。发现断口为斜断口，表面较粗糙，有明显的腐蚀痕迹，断口无明显的塑性变形，应属于宏观脆性断口。螺帽上写有“A2-70”的字样，属于不锈钢螺栓，抗拉强度不低于700 MPa，其材料性能与304不锈钢近似[1]。

2.2 化学成分分析

本次试验依据GB/T 11170—2008《不锈钢 多元素含量的测定 火花放电原子发射光谱法（常规法）》对螺栓进行化学成分分析[2]，结果如表1所示。

从试验结果可以看出，螺栓的Mn元素含量远高于标准要求，而Ni元素含量低于标准要求，因此该螺栓的材质不满足标准要求。

2.3 硬度试验

硬度试验是检测材料局部抵抗硬物压入其表面能力的重要方法。本次试验采用洛式硬度计进行硬度测量，依据GB/T 230.1-2018《金属材料 洛氏硬度试验 第1部分：试验方法》[3]，硬度测点位置为螺栓的帽心部，测点数量为3个，硬度值分别为：37.8 HRC、35.7 HRC、39.5 HRC，由上述数值可以看出，该螺栓的硬度比较均匀。

表1 化学成分 (质量分数，%)

2.4 金相组织分析

金相组织分析是研究金属及合金内部组织及结构的一种常见实验方法。在制备螺栓微观金相观测试样的过程中，发现该螺栓中存在一定程度的夹渣，如图2所示。依据GB/T 13298-2015《金属显微组织检验方法》对螺栓材质进行微观金相检测[4]，如图3所示，对比标准图谱，可以看出微观组织为奥氏体，这也再次证实了前面宏观检查中对螺栓牌号的判断。

图2 螺栓夹渣

图3 螺栓金相图片

表2 夹杂物成分

图4 失效螺栓的蚀坑中夹渣物能谱分析

2.5 扫描电镜检测

扫描电镜检测法是利用扫描电镜的聚焦电子束在试样表面逐点扫描成像，用于观察试样的微观形貌。为了确定夹杂物的成分及失效原因，采用扫描电子显微镜观察及能谱（EDS）分析对失效螺栓的微观组织和表面腐蚀产物进行了测定。通过图4的能谱图分析，确定蚀坑内的夹杂物为硫化锰，表2为夹杂物能谱分析的元素成分数值。图5和图6分别为螺栓失效表面处腐蚀产物的形貌和能谱图，表3为表面腐蚀产物的能谱分析数值。从图5和表3可以得出，该腐蚀产物中含有锰、硫、钠、镁、钙、碳、氯、氧等元素，由于氯离子的存在，不锈钢材质构件极容易产生点腐蚀现象。

3 分析结论

综合以上试验结果，可以发现，该螺栓的材质为高锰型奥氏体不锈钢，该类不锈钢在成分上，用锰替代了镍铬型不锈钢中的镍，从而导致该类钢材在制备中极易形成硫化锰夹杂，进而使材料本身的塑性降低，且容易开裂。另一方面，硫化锰在氯离子存在的情况下极易被腐蚀[1]，在基体上形成点腐蚀，又由于氯化物水解的结果，使点蚀坑中的介质酸度增加，导致阳极基体金属溶解加快，且螺栓属于受力构件，在应力与腐蚀环境的双重作用下，最终导致失效断裂。

图5 失效螺栓的表面形貌

图6 失效螺栓的表面能谱分析

表3 失效螺栓的表面成分

4 结语

通过对断裂螺栓采用元素成分分析、硬度试验、金相组织分析、显微观测分析等技术开展螺栓断裂失效分析，获得了螺栓的失效机理，这也为螺栓制造工艺和设备日常管理提供技术支持。