电站锅炉阀门螺栓断裂原因分析及对策

        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DN50，2006年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）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。
        （2）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。