氢气阀门使用工况及失效状态

失效氢气阀门为国产阀门，不锈钢制，型号J41W－16P，公称直径25mm，公称压力1．6MPa，位于某氢气管道的吹扫支管上。该氢气管道设计压力1MPa，   高使用压力0．7MPa，使用温度为常温，建于2004年，已使用约9年。吹扫支管尺寸为DN25，其作用是在需要时通过接入氮气等气源对氢气管道进行吹扫置换，因此，正常情况下该阀门应处于常关状态。阀门泄漏路径在阀门阀体与阀杆连接法兰中分面上。该对法兰依靠4组紧固件紧固，每组由一个M8双头螺柱、2个螺帽和相应的垫片组成。打开该中分面，发现紧固中分面法兰的4个双头螺柱中有两个发生断裂。

氢气阀门紧固螺柱断裂原因分析

1.螺柱材质分析

根据肉眼观察可推测双头螺柱材质为不锈钢，查阅图纸也证明了这一点，但图纸并未给出具体的材料牌号，因此   先对螺柱材料的组织和化学成分进行分析。选取螺柱(断裂螺柱)和螺柱(未开裂螺柱)进行化学成分检测。由检测结果可推测这批紧固螺柱的材料为奥氏体不锈钢，但与常见的铬镍系奥氏体不锈钢不同，它们的碳含量和锰含量较高，铬和镍的含量则较少，由此判断其属于铬锰或铬锰氮系奥氏体不锈钢，相当于   200系列不锈钢。然而，与不锈钢标准中列有的铬锰系奥氏体不锈钢牌号对照，螺柱钢材不符合任何一种牌号的不锈钢。

2.螺柱断裂原因分析及讨论

根据以上断口和金相组织分析结果来看，由于未观察到疲劳辉纹，   先可排除疲劳引发断裂的可能。其次，抗拉强度大于1050MPa的钢材才会发生氢脆断裂，而且奥氏体对氢的敏感程度较低，由于断裂螺柱并非高强螺栓，材料组织为奥氏体，且断口上未观察到氢脆断口上常见的“白点”，因此，虽然阀门介质为氢气，但螺柱发生氢脆的可能性基本也可排除。这样，螺柱失效的原因可确定为与应力腐蚀开裂有关，因为断口形貌和其上残存氯元素等特征与应力腐蚀开裂常见的断口特征基本吻合，而裂纹多分支形态在应力腐蚀开裂中亦很典型。

不锈钢产生应力腐蚀开裂(SCC)需要具备三个基本条件：材料条件，即合金材料对特定的介质敏感；环境条件，即合金材料处于敏感的腐蚀介质中；力学条件，即合金材料受到   量的静拉伸应力作用。对于DN25的普通阀门而言，4个M8的不锈钢螺柱足以承受正常的紧固拉力，并不存在负载过大的问题，然而，作为阀门紧固件，双头螺柱的主要作用就是通过被拉长来阀门法兰的密封闭合，因此其轴向必然承受拉伸应力作用，也就是说，其发生SCC的力学条件   存在。环境条件方面，氢气管道阀门及其紧固螺柱均处于大气环境中，似乎并不存在特别的腐蚀条件。然而，工厂大气中不免存在硫氯等腐蚀性成分，而螺柱所处冷轧区域的空气酸性成分含量可能   高，有时在腐蚀介质浓度很低的情况下材料也会发生应力腐蚀断裂，文献［8］中也表明腐蚀性成分非常可能在对其敏感的金属表面细小沟槽等微小缺陷处富集浓缩。由此可以推测，断口腐蚀产物中的氯就来源于氢气阀门所处工业大气。这说明螺柱发生SCC的环境条件同样是   具备且很难被改变。因此，材料条件成为原因分析的关键。

从上文分析已知阀门紧固螺柱的材质为铬锰或铬锰氮系奥氏体不锈钢。与常见的铬镍系奥氏体不锈钢相比，它们的共同之处在于两者的组织形式都表现为奥氏体，铬镍系不锈钢主要以镍为奥氏体化元素，铬锰系则减少了镍的用量，通过加入较多的锰和氮来替代贵金属镍实现奥氏体化。锰在钢中可以起到稳定奥氏体的作用，氮可以   形成并稳定奥氏体，同时还有很好的固溶作用，可提高奥氏体不锈钢的强度。因此，与铬镍系不锈钢相比，铬锰系具有成本低(省镍)、、好等优点，近年来在国内使用、发展较快。然而，铬锰系不锈钢抗晶间腐蚀和抗点腐蚀能力相对铬镍系较差，综合力学性能、工艺性能及可焊性等加工性能也相对较差，只适宜在耐蚀性要求不太高的设备和部件上使用。

被分析螺柱材料的碳含量较高，达到了近0．3%。现有铬锰系奥氏体不锈钢品种较多，其中大部分品种的碳含量都低于0．15%，只有少部分品种的碳含量较高，如2Cr13Mn9Ni4的碳含量为0．15%～0.25%。尽管碳也是   奥氏体形成并提高不锈钢强度的元素，但碳含量偏高对于不锈钢的耐蚀性是不利的，它可能与铬形成碳化物，造成晶界贫铬，从而弱化螺柱的抗晶间腐蚀能力。事实上，螺

柱断口微观形貌确实表现出明显的沿晶特征，说明其晶界比较薄弱，而这种薄弱应该与碳含量偏高有较大关系。

总之，对于需要承受紧固拉力作用且长期处于腐蚀性大气环境中的阀门紧固螺柱而言，选用碳含量较高的铬锰系奥氏体不锈钢不够妥当。大气中的氯离子很可能在螺纹缝隙或螺柱表面微裂纹内附着并富集，使得材料破坏所需应力下降，同时，这些氯离子会在垂直于螺柱拉应力的方向侵入并破坏这些微小缺陷表面原有的氧化层保护膜，而拉伸应力会使得缺陷   始终存在应力集中，阻碍新保护膜形成或使得新形成的保护膜破裂，从而导致缺陷   始终暴露在氯离子等腐蚀介质中，不断通过电池作用而溶解。这样，随着时间的增长，螺柱表面原有的微小缺陷将逐渐长大，直至达到临界尺寸而令螺柱突然脆断。由于晶界处的保护膜   容易受到破坏，而碳含量较高的铬锰奥氏体不锈钢的晶界恰好又较弱，因此腐蚀会有选择性地沿晶界进行，   终形成的断口也就具有了沿晶断裂特征。

当然，应力腐蚀开裂的成因和过程非常复杂。除选材外，螺柱制造质量也会在   程度上影响应力腐蚀开裂的进程。前述对未断裂螺柱的表面探伤检查和对断裂螺柱的内部微观检查表明，这批螺柱至少部分存在一些制造欠佳的现象，包括心部存在粗大夹渣和开裂，以及外表面存在纵向分布线性缺陷。这些缺陷可能不是导致螺柱断裂的直接原因，但它们会成为   螺柱断裂的因素，并影响着螺柱起裂和裂纹扩展时间的长短。