王海朋 杨阳 杨中娜
1.中海油（天津）管道工程技术有限公司，天津 300452；天津北海油人力资源咨询服务公司，天津 300452）
摘要：某海底管道补强修复卡箍螺栓在管道打压时发生断裂断裂，通过宏观检验、扫描电镜、金相组织分析、化学成分分析、硬度测试、力学性能分析等方法对失效机理进行分析。结果表明：10.9级螺栓的化学成分、洛氏硬度、抗拉强度、金相组织均符合标准要求，通过对分析宏观断口与微观组织形貌，在断口发现典型的氢脆断裂特征，综合分析螺栓失效模式为氢脆断裂。
关键词：海管修复、螺栓断裂、失效分析、氢脆
海底管道对于保障海洋石油连续生产与降低运输成本具有十分重要的意义，据统计每年每1000KM管道发生损伤与泄露的概率为2%。在管道内外腐蚀、轻微变形、穿孔泄露等修复工作中，管卡修复技术以其快捷、成本低的特点被广泛应用。某海底管道补强修复卡箍共有6根螺栓，材质为10.9级螺栓用钢，在管道打压时其中5根螺栓在螺纹处发生断裂。本次研究选取一个断裂螺栓和未断裂螺栓，采用宏观断口分析、微观组织形貌分析、多种理化检验手段，对断裂螺栓的失效机理进行研究，为海底管道修复作业提供材料方面的理论支持。
1试验过程与结果
1.1 宏观形貌检查
采用单反相机、放大镜与体视显微镜对失效件断口进行宏观分析，图1为螺栓样品实物与断口放大照片，其中1#试样为断裂螺栓，2#螺栓为完整螺栓。1#断口表面未见明显塑性变形，断面呈现出亮灰色，断口存在与水平面呈约45度的阶梯，具有扭转断裂的特征。
.png)
1.2 断口微观形貌分析
1#试样低倍断口形貌如图2所示，可见断面存在贯穿截面2/3的人字形裂纹，人字形裂纹顶部即为裂纹源。裂纹右部有撕裂特征，应为断裂的瞬断区；左侧存在放射棱线与波浪线，为开裂扩展区。在开裂扩展区，观察到三个圆点，根据扫描电镜成像特点，可知该原点与周围基体不在同一水平面，判断为白点。同时，在白点周围有以白点为源的放射棱线。对人字形裂纹左部的开裂扩展区进行显微形貌分析，微观形貌如图2-b所示，可见明显的沿晶断裂形貌与解理台阶，在晶面上可以观察到鸡爪棱，鸡爪棱为氢脆断裂特征。采用牛津能谱仪进行微区成分分析，断口主要以Fe、C、O为主，并存在少量Mn、Si、Cl元素，未发现异常元素。
a）1#试样低倍形貌 b）1#试样沿晶断裂+鸡爪棱
.png)
1.3 金相分析
采用ZEISS金相倒置显微镜对1#断裂螺栓进行金相组织及脱碳层分析，如图3所示，螺栓基体材料为回火索氏体，未发现异常组织与脱碳现象。
.png)
1.4 化学分析
采用SPECTRO直读光谱仪对1#螺栓进行化学成分分析，结果见表1，化学成分符合标准GB/T 3098.1-2010《紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱》要求。
表1 化学成分测试结果/%
项目 C P S B
5# 0.226 0.017 0.010 0.0016
GB/T 3098.1-2010
要求值 0.20~0.55 ≤0.025 ≤0.025 ≤0.003
1.5 硬度测试
在断裂螺栓断口附近取样，硬度测定区域为1/2半径与轴心线之间，采用Wilson洛氏硬度计选取4个位置进行洛氏硬度测试，测得硬度值分别为：37.1、36.8、34.7、36.2。根据GB/T 3098.1-2010《紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱》要求，10.9级螺栓的洛氏硬度应在32~39HRC之间，测试结果表明被测螺栓硬度在标准规定范围内。
1.6 拉伸试验
采用拉伸试验机对1#完整螺栓进行强度测试，测试结果显示试样的抗拉强度为1106MPa，GB/T 3098.1-2010标准对于10.9级螺栓的抗拉强度要求大于1040MPa，1#试样的抗拉强度满足标准要求，但是接近要求下限值。
2. 分析与讨论
通过理化分析结果可以看出，螺栓基体材料化学成分满足GB/T 3098.1-2010《紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱》对于10.9级螺栓的要求，但是碳含量接近标准要求下限值。洛氏硬度满足标准对于10.9级螺栓的要求。完整螺栓与断裂螺栓同属一批材料，测试结果显示抗拉强度满足标准要求，但是略高于标准要求下限值。金相分析结果表明螺栓的金相组织为回火索氏体，未发现异常组织及明显脱碳现象。宏观和微观形貌分析发现，1#试样断口呈现扭转脆性断裂特征，试样断口宏观相貌显示裂纹起源于截面边缘，沿径向扩展，同时在扩展过程产生许多二次裂纹。在开裂的扩展区存在少量白点，白点是钢材中氢+内应力的产物，它的存在使得钢材脆化。同时在扩展区显微相貌图像观察到断口呈解理断裂特征，晶间有大量的沿晶二次裂纹，在晶界上存在“鸡爪棱”，这些特征说明螺栓为氢脆断裂。
3.结语
海底管道修复所使用的卡箍修复方式，卡箍螺栓的完整性直接决定修复质量。高强度螺栓可以满足紧固件高预紧力的要求，但是同时给材料带来高脆性的特点。因此，在对螺栓材料的检测环节应重点关注材料的冶金缺陷，如夹杂物、白点。
参考文献:
[1]任跃龙, 杜应军, 张宏强. 机械管卡在海底管道维抢修中的应用[J]. 化工装备技术, 2020, v.41;No.241(01):66-70.
[2] 陈华锋. 高强度螺栓氢脆断裂失效的表征研究. 机械科学研究总院.
[3]张菊水. 钢中白点的微观特征与氢脆机制[J]. 理化检验.物理分册, 1981(6).
[4]李平平. 轮毂螺栓断裂分析及预防措施[J]. 金属热处理, 2019(S1).