電站鍋爐閥門螺栓斷裂原因分析

某石化公司電站鍋爐，鍋爐冷凝器下降管線的一個節流閘閥的閥蓋緊固螺栓突然發生斷裂，造成大量蒸汽泄漏，造成緊急停工，更換了閥門。

冷凝器的介質為108℃高溫水與200℃蒸汽混合，壓力大約36kg/cm2。失效閥門型號為JZ46W，規格DN50，6月投入使用，使用周期接近四年半。閥門的閥蓋等部件未發現異常，隻有閥蓋連接到閥體上的緊固螺栓發生了斷裂。

閥門的緊固螺栓為六角法蘭麵型螺栓，4根緊固螺栓中的3根發生了斷裂，1根未發生斷裂。見圖1。

1、宏觀檢查

將4根螺栓從閥蓋中取出清洗，並進行宏觀檢查。螺栓斷裂部位不是在螺紋處，而是在螺栓的端帽根部。見圖2。從斷裂螺栓斷口表麵可看出，灰暗色區域較大，比較新鮮的區域較小。灰暗色區域應該是前期開裂後的斷口受到了氧化腐蝕，比較新鮮的區域應該是這次突然斷裂的新斷口[圖2(a)]。螺栓的端帽部分應該是鍛造成形。靠近斷口的端帽外緣部分存在多條明顯的鍛造裂紋。見圖2(b)。

2、對螺栓斷口進行微觀檢測分析

將3個斷裂螺栓和1個斷裂端帽用超聲波清洗器反複清洗幹淨，利用進口的掃描電鏡和能譜儀觀察分析4個斷口的表麵微觀形貌，分析腐蝕產物成分。從斷口的微觀形貌可以看出，斷口大部分區域的微觀形貌均為沿晶特征，即裂紋是沿著晶界開裂的，屬於典型的脆性斷口。對斷口灰暗色區域進行200倍電鏡掃描，可以看出沿晶斷口的表麵覆蓋了一層腐蝕產物，經成分分析，腐蝕產物以氧化鐵為主，其中腐蝕產物中存在Cl元素和S元素。見圖3和圖4。

對斷口新鮮區域進行200倍電鏡掃描，斷口新鮮區域的很小部分的微觀形貌不是沿晶特征，而是韌窩特征，韌窩是正常塑性斷裂的斷口特征。這說明螺栓斷裂屬於延遲斷裂，即首先萌生裂紋，其次裂紋擴展，最後突然斷裂。從螺栓端帽外緣區域的微觀形貌可以看出，螺栓鍛造成形工藝不規範，鍛造溫度較低，螺栓端帽部位墩粗變形量較大，從而產生較多的鍛造裂紋，而鍛造後也未進行二次加工以去除這些裂紋。

3、螺栓材質成分檢測分析

從1個斷裂螺栓上取樣，利用直讀光譜儀和碳硫分析儀檢測分析螺栓的材質成分。見表1。

常用於螺栓的不鏽鋼材質為1Cr17Ni7和1Cr18Ni9，但是按照國標GB/T1220-1992(不鏽鋼的牌號和化學成分)標準，斷裂螺栓的材質成分不符合1Cr17Ni7和1Cr18Ni9，而比較接近lCrl8Mn8Ni5N。但是，按照國標lCrl8Mn8Ni5N要求，斷裂螺栓的材質成分中，含C量偏高，含Cr量偏低，這就大大降低了其耐蝕性能。

4、螺栓金相組織檢測分析

從斷裂螺栓截取2個試樣，用水砂紙對其預磨、精磨、研磨、拋光和王水溶液浸蝕，製備成金相試樣。利用金相顯微鏡對1個試樣金相組織進行檢測分析;另1個試樣用進口的掃描電鏡對其鍛造缺陷進行觀察分析。經檢測，螺栓的金相組織為奧氏體，晶粒度評定等級為6級，組織比較粗大。

由螺栓的鍛造缺陷微觀形態可以看出，螺栓的表麵和內部均發現較大的鍛造裂紋和夾雜物，而且斷口和裂紋附近均發現明顯的沿晶開裂形態，這說明螺栓的沿晶開裂主要與鍛造缺陷有關。

5、螺栓斷裂原因分析及對策

經過上述檢測分析可知，閥門螺栓失效部位處於端帽根部，失效性質屬於脆性延遲斷裂，斷口類型為沿晶特征。

(1)經過檢測分析，可見為閥門原始製造過程中，廠家對配件把關不嚴，沒有重視配件質量，導致使用過程中閥蓋螺栓出現斷裂，導致停工。針對閥門螺栓的斷裂問題，立即開展排查，對同廠家閥門進行了更換，同時吸取教訓，加強到貨閥門的質量檢查，對關鍵部位的閥門配件進行抽檢，確保使用過程的安全可靠。

(2)螺栓斷裂的主要原因為螺栓存在材質缺陷，具體表現為：

①螺栓的材質成分不符合國標要求，含C量偏高，含Cr量偏低，降低了其耐晶間腐蝕性能;

②螺栓的端帽鍛造成形工藝不規範，鍛造的溫度偏低，造成端帽根部產生鍛造裂紋等缺陷;

③螺栓鍛後未進行熱處理，端帽根部存在殘餘應力，並且冷卻時晶界析出含鉻碳化物，造成晶界弱化，容易發生沿晶開裂。

螺栓斷裂的次要因素為環境溫度波動和介質腐蝕因素，具體表現為：閥門經受的溫度波動造成螺栓產生熱疲勞應力，加速裂紋萌生和擴展。