某海上氣田高壓多相流量計連接隔離球閥閥體螺柱發生斷裂現象。經勘察搶險小組排查,發現底層甲板高壓多相流量計橇附近甲板面散落斷裂的螺柱,高壓多相流量計橇上操作層有脫落的閥體。確定該次油氣泄漏是由高壓多相流量計橇差壓液位計上隔離球閥閥體螺柱斷裂引起,球閥閥體崩裂,導致天然氣大量泄漏,造成平臺一級關停。螺柱斷裂現場如圖1所示。該螺柱材料為304奧氏體不銹鋼。 

圖  1  螺柱斷裂現場

事故發生前,通過系統測試確認多相流量計系統處于正常生產狀態,油嘴前壓力為400 kPa,油嘴后壓力為2 880 kPa。多相流量計操作壓力為1 900~5 120 kPa。筆者采用宏觀觀察、化學成分分析、斷口分析、硬度測試、金相檢驗等方法分析螺柱斷裂的原因,以防止該類問題再次發生。 

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

現場6根螺柱的縱向中間位置全部斷裂,螺柱斷口表面大部分呈黃褐色,且存在較大面積的銹跡,說明斷裂螺柱在現場環境條件下均存在一定程度的腐蝕；其中一根螺栓發生明顯縮頸現象,呈塑性變形斷裂特征,判斷該螺柱為最后的斷裂件；剩余的5根中,有3根螺柱斷口顏色更深,且斷口相對平直,由此推測該3根螺柱為較先斷裂件,從上述3根中選取2根斷口相對平齊的螺柱作為研究對象,分別標記為1號和2號螺柱。1,2號螺柱斷口及側面宏觀形貌如圖2所示。由圖2可知：1號和2號螺紋側斷裂位置銹蝕較嚴重,遠離斷口處的螺桿表面質量相對較好,同時可見螺紋表面存在點蝕凹坑；每個螺柱的斷口靠近中心部位呈凸起狀,而螺紋邊沿周圍一圈相對位置較低,邊沿銹跡很多。 

圖  2  1號和2號螺柱斷口及側面宏觀形貌

1.2   化學成分分析

依據GB/T 11170－2008《不銹鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發射光譜法(常規法)》對斷裂螺柱進行化學成分分析,結果如表1所示。由表1可知：根據 GB/T 20878－2007《不銹鋼和耐熱鋼 牌號及化學成分》中關于304不銹鋼成分的規定,該不銹鋼螺柱化學成分中錳元素含量比標準值偏高,鉻元素含量比標準值偏低,斷裂螺柱的化學成分不符合標準要求。 

1.3   斷口分析

首先使用乙醇將1,2號螺柱的斷口清洗干凈,采用掃描電鏡（SEM）配置的能譜儀對斷口表面、螺紋表面的腐蝕產物進行微區成分分析,得到斷口表面除了基體金屬元素Fe、Mn、Cr、Ni外,還含有較高含量的O元素,以及少量來自海洋大氣環境中的Cl、S等元素,這說明螺柱受到了海洋大氣環境的腐蝕。螺紋表面除了基體金屬元素外,還含有較高含量的O、Ca、Si、Cl、S等元素,說明螺紋表面也受到了環境介質的腐蝕,螺紋表面Cl元素含量低于斷口表面Cl元素含量,說明腐蝕過程中Cl元素更容易滲入螺柱內部,并在內部聚集,進一步促進了腐蝕的發生[1-2]。 

采用酸洗液對上述螺柱斷口進行清洗,清洗后的斷口形貌如圖3所示。采用體視顯微鏡對斷口進行觀察,發現螺紋表面存在點蝕凹坑,推測為斷裂源區,且為多源區。 

圖  3  螺柱斷口清洗后宏觀形貌

將1號螺柱斷口置于SEM下觀察,結果如圖4所示。由圖4可知：斷口裂紋源附近可見大量沿晶形貌,呈冰糖狀,局部平整區域可見密集分布的細小孔洞缺陷,裂紋擴展區存在拉長的顆粒狀形貌,近螺紋表面局部位置有龜裂特征,并伴有泥紋狀花樣,在晶界處存在二次裂紋,同時裂紋存在分支；瞬斷區未發生斷裂時,單位面積所受應力較大,斷裂時斷面形成較長的二次裂紋；斷口大部分位置均呈現沿晶脆性斷裂特征[3],局部位置存在疏松、孔洞類缺陷。 

圖  4  1號螺柱斷口SEM形貌

將2號螺柱斷口置于SEM下觀察,結果如圖5所示。由圖5可知：2號螺柱斷口與1號螺柱斷口類似,以沿晶形貌為主,且晶內存在多處孔洞,呈沿晶脆性斷裂特征；近外表面局部位置可見疲勞條帶特征,說明該螺柱在失穩狀態下受到了一定的交變載荷作用,存在一定的疲勞斷裂形貌特征。根據以上斷口的微觀分析結果,可以確定1號螺柱和2號螺柱的斷裂性質均屬于應力腐蝕斷裂[4]。 

圖  5  2號螺柱斷口典型SEM形貌

1.4   硬度測試

在螺柱全壁厚橫截面截取試樣,采用維氏硬度計測量1,2號螺栓的顯微硬度,一共測試5個點,結果如表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,硬度高導致其韌性差,螺柱表面容易產生裂紋。 

1.5   金相檢驗

將1,2號螺柱橫截面試樣置于光學顯微鏡下觀察,結果如圖6所示。由圖6可知：1號和2號螺柱橫截面的顯微組織均為奧氏體,部分呈孿晶特征,晶界附近有顆粒狀碳化物析出；晶界析出的碳化物一方面會降低晶界結合力,增大材料的脆性,從而降低材料的力學性能,另一方面,晶界析出的碳化物會使晶界附近優先發生腐蝕,進一步降低不銹鋼的耐腐蝕性能[5]。另外,還有兩個螺柱的橫截面均存在樹枝狀裂紋,裂紋從外表面向內表面擴展,呈典型的應力腐蝕特征,這也說明完好螺柱內部已經出現了應力腐蝕裂紋[6-7]。 

圖  6  1,2號螺柱橫截面試樣拋光態微觀形貌

2.   綜合分析

兩個斷裂螺柱斷口處存在腐蝕現象,且未發現明顯的塑性變形,表明上述兩個螺柱的斷裂性質為脆性斷裂。螺柱外表面存在較長的裂紋,且已擴展至螺柱內部,1號和2號螺柱表面裂紋的裂紋源均從螺柱表面產生,并向螺柱內部擴展,同時螺柱的微觀斷口呈冰糖顆粒狀,斷口具有典型的沿晶脆性斷裂形貌特征[8]。 

化學成分分析結果顯示上述螺柱的Mn元素含量較高,而Cr元素含量較低,不滿足相關標準中關于304不銹鋼成分的規定。螺紋表面存在疏松狀缺陷,同時存在樹枝狀裂紋,裂紋向內部擴展,并且裂紋呈典型的沿晶開裂特征。裂紋內腐蝕產物的能譜分析結果表明,腐蝕產物中Cl元素含量較高。結合現場球閥連接螺柱的服役工況,其工作在海洋大氣環境下,空氣中氯離子含量較高,螺柱表面腐蝕性介質導致材料發生腐蝕,而氯離子能夠破壞金屬表面已形成的鈍化膜和腐蝕產物膜,使材料連續發生腐蝕。在螺柱材料化學成分不達標的情況下,螺柱在裝配過程中要承受一定的預緊力,螺柱具備了發生應力腐蝕的條件[9-10]。螺柱材料為奧氏體不銹鋼,其微觀形貌顯示在晶界處存在碳化物的析出,碳化物的存在降低了螺柱的力學性能和耐腐蝕性能。在海洋大氣環境下,螺柱表面首先形成了應力腐蝕裂紋,并沿徑向擴展至螺柱內部；該球閥螺栓在服役過程中,不定期的球閥開閉導致球閥內部介質流體的流速變化,使球閥連接螺柱振動,振動會加速應力腐蝕裂紋的擴展；同時,螺柱在所受的靜態預緊力的作用下,裂紋不斷擴展,材料不斷發生腐蝕,直至螺柱整體發生開裂[11-12]。從螺柱斷口微觀形貌來看,裂紋源處的龜裂形貌和泥紋狀花樣也是應力腐蝕的典型特征,進一步驗證了螺柱斷裂是由應力腐蝕導致的[13-15]。 

3.   結論及建議

該球閥連接螺柱斷裂性質為應力腐蝕開裂,在海洋大氣環境及預緊力的作用下,螺柱徑向萌生了一系列裂紋,螺柱受到外界腐蝕,介質流速發生變化,在振動的影響下,裂紋沿徑向長大并擴展,當裂紋尺寸達到一定程度時,螺柱整體斷裂。 

建議加強螺柱入場檢驗,確保其材料性能滿足技術要求；同時加強螺柱的防腐,或者選用更加耐應力腐蝕材料的螺柱。

文章來源——材料與測試網