图 1螺柱断裂现场
某海上气田高压多相流量计连接隔离球阀阀体螺柱发生断裂现象。经勘察抢险小组排查,发现底层甲板高压多相流量计橇附近甲板面散落断裂的螺柱,高压多相流量计橇上操作层有脱落的阀体。确定该次油气泄漏是由高压多相流量计橇差压液位计上隔离球阀阀体螺柱断裂引起,球阀阀体崩裂,导致天然气大量泄漏,造成平台一级关停。螺柱断裂现场如图1所示。该螺柱材料为304奥氏体不锈钢。
事故发生前,通过系统测试确认多相流量计系统处于正常生产状态,油嘴前压力为400 kPa,油嘴后压力为2 880 kPa。多相流量计操作压力为1 900~5 120 kPa。笔者采用宏观观察、化学成分分析、断口分析、硬度测试、金相检验等方法分析螺柱断裂的原因,以防止该类问题再次发生。
1. 理化检验
1.1 宏观观察
现场6根螺柱的纵向中间位置全部断裂,螺柱断口表面大部分呈黄褐色,且存在较大面积的锈迹,说明断裂螺柱在现场环境条件下均存在一定程度的腐蚀；其中一根螺栓发生明显缩颈现象,呈塑性变形断裂特征,判断该螺柱为最后的断裂件；剩余的5根中,有3根螺柱断口颜色更深,且断口相对平直,由此推测该3根螺柱为较先断裂件,从上述3根中选取2根断口相对平齐的螺柱作为研究对象,分别标记为1号和2号螺柱。1,2号螺柱断口及侧面宏观形貌如图2所示。由图2可知：1号和2号螺纹侧断裂位置锈蚀较严重,远离断口处的螺杆表面质量相对较好,同时可见螺纹表面存在点蚀凹坑；每个螺柱的断口靠近中心部位呈凸起状,而螺纹边沿周围一圈相对位置较低,边沿锈迹很多。
1.2 化学成分分析
依据GB/T 11170－2008《不锈钢 多元素含量的测定 火花放电原子发射光谱法(常规法)》对断裂螺柱进行化学成分分析,结果如表1所示。由表1可知：根据 GB/T 20878－2007《不锈钢和耐热钢 牌号及化学成分》中关于304不锈钢成分的规定,该不锈钢螺柱化学成分中锰元素含量比标准值偏高,铬元素含量比标准值偏低,断裂螺柱的化学成分不符合标准要求。
Table 1.断裂螺柱化学成分分析结果
1.3 断口分析
首先使用乙醇将1,2号螺柱的断口清洗干净,采用扫描电镜（SEM）配置的能谱仪对断口表面、螺纹表面的腐蚀产物进行微区成分分析,得到断口表面除了基体金属元素Fe、Mn、Cr、Ni外,还含有较高含量的O元素,以及少量来自海洋大气环境中的Cl、S等元素,这说明螺柱受到了海洋大气环境的腐蚀。螺纹表面除了基体金属元素外,还含有较高含量的O、Ca、Si、Cl、S等元素,说明螺纹表面也受到了环境介质的腐蚀,螺纹表面Cl元素含量低于断口表面Cl元素含量,说明腐蚀过程中Cl元素更容易渗入螺柱内部,并在内部聚集,进一步促进了腐蚀的发生[1-2]。
采用酸洗液对上述螺柱断口进行清洗,清洗后的断口形貌如图3所示。采用体视显微镜对断口进行观察,发现螺纹表面存在点蚀凹坑,推测为断裂源区,且为多源区。
将1号螺柱断口置于SEM下观察,结果如图4所示。由图4可知：断口裂纹源附近可见大量沿晶形貌,呈冰糖状,局部平整区域可见密集分布的细小孔洞缺陷,裂纹扩展区存在拉长的颗粒状形貌,近螺纹表面局部位置有龟裂特征,并伴有泥纹状花样,在晶界处存在二次裂纹,同时裂纹存在分支；瞬断区未发生断裂时,单位面积所受应力较大,断裂时断面形成较长的二次裂纹；断口大部分位置均呈现沿晶脆性断裂特征[3],局部位置存在疏松、孔洞类缺陷。
将2号螺柱断口置于SEM下观察,结果如图5所示。由图5可知：2号螺柱断口与1号螺柱断口类似,以沿晶形貌为主,且晶内存在多处孔洞,呈沿晶脆性断裂特征；近外表面局部位置可见疲劳条带特征,说明该螺柱在失稳状态下受到了一定的交变载荷作用,存在一定的疲劳断裂形貌特征。根据以上断口的微观分析结果,可以确定1号螺柱和2号螺柱的断裂性质均属于应力腐蚀断裂[4]。
1.4 硬度测试
在螺柱全壁厚横截面截取试样,采用维氏硬度计测量1,2号螺栓的显微硬度,一共测试5个点,结果如表2所示。由表2可知：螺柱硬度偏高,且表面硬度普遍高于心部硬度,硬度高导致其韧性差,螺柱表面容易产生裂纹。
Table 2.断裂螺柱硬度测试结果
1.5 金相检验
将1,2号螺柱横截面试样置于光学显微镜下观察,结果如图6所示。由图6可知：1号和2号螺柱横截面的显微组织均为奥氏体,部分呈孪晶特征,晶界附近有颗粒状碳化物析出；晶界析出的碳化物一方面会降低晶界结合力,增大材料的脆性,从而降低材料的力学性能,另一方面,晶界析出的碳化物会使晶界附近优先发生腐蚀,进一步降低不锈钢的耐腐蚀性能[5]。另外,还有两个螺柱的横截面均存在树枝状裂纹,裂纹从外表面向内表面扩展,呈典型的应力腐蚀特征,这也说明完好螺柱内部已经出现了应力腐蚀裂纹[6-7]。
2. 综合分析
两个断裂螺柱断口处存在腐蚀现象,且未发现明显的塑性变形,表明上述两个螺柱的断裂性质为脆性断裂。螺柱外表面存在较长的裂纹,且已扩展至螺柱内部,1号和2号螺柱表面裂纹的裂纹源均从螺柱表面产生,并向螺柱内部扩展,同时螺柱的微观断口呈冰糖颗粒状,断口具有典型的沿晶脆性断裂形貌特征[8]。
化学成分分析结果显示上述螺柱的Mn元素含量较高,而Cr元素含量较低,不满足相关标准中关于304不锈钢成分的规定。螺纹表面存在疏松状缺陷,同时存在树枝状裂纹,裂纹向内部扩展,并且裂纹呈典型的沿晶开裂特征。裂纹内腐蚀产物的能谱分析结果表明,腐蚀产物中Cl元素含量较高。结合现场球阀连接螺柱的服役工况,其工作在海洋大气环境下,空气中氯离子含量较高,螺柱表面腐蚀性介质导致材料发生腐蚀,而氯离子能够破坏金属表面已形成的钝化膜和腐蚀产物膜,使材料连续发生腐蚀。在螺柱材料化学成分不达标的情况下,螺柱在装配过程中要承受一定的预紧力,螺柱具备了发生应力腐蚀的条件[9-10]。螺柱材料为奥氏体不锈钢,其微观形貌显示在晶界处存在碳化物的析出,碳化物的存在降低了螺柱的力学性能和耐腐蚀性能。在海洋大气环境下,螺柱表面首先形成了应力腐蚀裂纹,并沿径向扩展至螺柱内部；该球阀螺栓在服役过程中,不定期的球阀开闭导致球阀内部介质流体的流速变化,使球阀连接螺柱振动,振动会加速应力腐蚀裂纹的扩展；同时,螺柱在所受的静态预紧力的作用下,裂纹不断扩展,材料不断发生腐蚀,直至螺柱整体发生开裂[11-12]。从螺柱断口微观形貌来看,裂纹源处的龟裂形貌和泥纹状花样也是应力腐蚀的典型特征,进一步验证了螺柱断裂是由应力腐蚀导致的[13-15]。
3. 结论及建议
该球阀连接螺柱断裂性质为应力腐蚀开裂,在海洋大气环境及预紧力的作用下,螺柱径向萌生了一系列裂纹,螺柱受到外界腐蚀,介质流速发生变化,在振动的影响下,裂纹沿径向长大并扩展,当裂纹尺寸达到一定程度时,螺柱整体断裂。
建议加强螺柱入场检验,确保其材料性能满足技术要求；同时加强螺柱的防腐,或者选用更加耐应力腐蚀材料的螺柱。
文章来源——材料与测试网