电站锅炉阀门螺栓断裂原因分析
电站锅炉阀门螺栓断裂原因分析
某石化公司电站锅炉，锅炉冷凝器下降管线的一个节流闸阀的阀盖紧固螺栓突然发生断裂，造成大量蒸汽泄漏，造成紧急停工，更换了阀门。
冷凝器的介质为108℃高温水与200℃蒸汽混合 ，压力大约36kg/cm2 。失效阀门型号为JZ46W ，规格DN50，6月投入使用，使用周期接近四年半 。阀门的阀盖等部件未发现异常 ，只有阀盖连接到阀体上的紧固螺栓发生了断裂。
阀门的紧固螺栓为六角法兰面型螺栓 ，4根紧固螺栓中的3根发生了断裂，1根未发生断裂。见图1 。
1 、宏观检查
将4根螺栓从阀盖中取出清洗 ，并进行宏观检查。螺栓断裂部位不是在螺纹处，而是在螺栓的端帽根部 。见图2。从断裂螺栓断口表面可看出 ，灰暗色区域较大，比较新鲜的区域较小。灰暗色区域应该是前期开裂后的断口受到了氧化腐蚀，比较新鲜的区域应该是这次突然断裂的新断口[图2(a)] 。螺栓的端帽部分应该是锻造成形。靠近断口的端帽外缘部分存在多条明显的锻造裂纹。见图2(b)。
2、对螺栓断口进行微观检测分析
将3个断裂螺栓和1个断裂端帽用超声波清洗器反复清洗干净 ，利用进口的扫描电镜和能谱仪观察分析4个断口的表面微观形貌，分析腐蚀产物成分。从断口的微观形貌可以看出，断口大部分区域的微观形貌均为沿晶特征，即裂纹是沿着晶界开裂的，属于典型的脆性断口 。对断口灰暗色区域进行200倍电镜扫描，可以看出沿晶断口的表面覆盖了一层腐蚀产物，经成分分析 ，腐蚀产物以氧化铁为主，其中腐蚀产物中存在Cl元素和S元素。见图3和图4。
对断口新鲜区域进行200倍电镜扫描，断口新鲜区域的很小部分的微观形貌不是沿晶特征 ，而是韧窝特征，韧窝是正常塑性断裂的断口特征。这说明螺栓断裂属于延迟断裂 ，即首先萌生裂纹 ，其次裂纹扩展，最后突然断裂。从螺栓端帽外缘区域的微观形貌可以看出，螺栓锻造成形工艺不规范 ，锻造温度较低，螺栓端帽部位墩粗变形量较大，从而产生较多的锻造裂纹 ，而锻造后也未进行二次加工以去除这些裂纹。
3、螺栓材质成分检测分析
从1个断裂螺栓上取样 ，利用直读光谱仪和碳硫分析仪检测分析螺栓的材质成分。见表1。
常用于螺栓的不锈钢材质为1Cr17Ni7和1Cr18Ni9，但是按照国标GB/T1220-1992(不锈钢的牌号和化学成分)标准，断裂螺栓的材质成分不符合1Cr17Ni7和1Cr18Ni9，而比较接近lCrl8Mn8Ni5N。但是 ，按照国标lCrl8Mn8Ni5N要求，断裂螺栓的材质成分中，含C量偏高 ，含Cr量偏低，这就大大降低了其耐蚀性能 。
4、螺栓金相组织检测分析
从断裂螺栓截取2个试样 ，用水砂纸对其预磨、精磨 、研磨、抛光和王水溶液浸蚀，制备成金相试样。利用金相显微镜对1个试样金相组织进行检测分析;另1个试样用进口的扫描电镜对其锻造缺陷进行观察分析 。经检测 ，螺栓的金相组织为奥氏体，晶粒度评定等级为6级，组织比较粗大。
由螺栓的锻造缺陷微观形态可以看出，螺栓的表面和内部均发现较大的锻造裂纹和夹杂物 ，而且断口和裂纹附近均发现明显的沿晶开裂形态 ，这说明螺栓的沿晶开裂主要与锻造缺陷有关。
5、螺栓断裂原因分析及对策
经过上述检测分析可知 ，阀门螺栓失效部位处于端帽根部 ，失效性质属于脆性延迟断裂 ，断口类型为沿晶特征。
(1)经过检测分析，可见为阀门原始制造过程中 ，厂家对配件把关不严，没有重视配件质量 ，导致使用过程中阀盖螺栓出现断裂，导致停工。针对阀门螺栓的断裂问题，立即开展排查 ，对同厂家阀门进行了更换，同时吸取教训，加强到货阀门的质量检查，对关键部位的阀门配件进行抽检，确保使用过程的安全可靠。
(2)螺栓断裂的主要原因为螺栓存在材质缺陷，具体表现为：
①螺栓的材质成分不符合国标要求 ，含C量偏高，含Cr量偏低 ，降低了其耐晶间腐蚀性能;
②螺栓的端帽锻造成形工艺不规范，锻造的温度偏低，造成端帽根部产生锻造裂纹等缺陷;
③螺栓锻后未进行热处理，端帽根部存在残余应力，并且冷却时晶界析出含铬碳化物 ，造成晶界弱化，容易发生沿晶开裂。
螺栓断裂的次要因素为环境温度波动和介质腐蚀因素，具体表现为 ：阀门经受的温度波动造成螺栓产生热疲劳应力 ，加速裂纹萌生和扩展 。