氫氣閥門使用工況及失效狀態(tài)

失效氫氣閥門為國產閥門，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處于常關狀態(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個螺帽和相應的墊片組成。打開該中分面，發(fā)現緊固中分面法蘭的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.螺柱材質分析

根據肉眼觀察可推測雙頭螺柱材質為不銹鋼，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

根據以上斷口和金相組織分析結果來看，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力腐蝕開裂有關，因為斷口形貌和其上殘存氯元素等特征與應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)在應力腐蝕開裂中亦很典型。

不銹鋼產生應力腐蝕開裂(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敏感；環(huán)境條件，即合金材料處于敏感的腐蝕介質中；力學條件，即合金材料受到   量的靜拉伸應力作用。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，有時在腐蝕介質濃度很低的情況下材料也會發(fā)生應力腐蝕斷裂，文獻［8］中也表明腐蝕性成分非常可能在對其敏感的金屬表面細小溝槽等微小缺陷處富集濃縮。由此可以推測，斷口腐蝕產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鍵。

從上文分析已知閥門緊固螺柱的材質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出明顯的沿晶特征，說明其晶界比較薄弱，而這種薄弱應該與碳含量偏高有較大關系。

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附著并富集，使得材料破壞所需應力下降，同時，這些氯離子會在垂直于螺柱拉應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，而拉伸應力會使得缺陷   始終存在應力集中，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，應力腐蝕開裂的成因和過程非常復雜。除選材外，螺柱制造質量也會在   程度上影響應力腐蝕開裂的進程。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。