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摘要：调压器是高压天然气管网输送过程中的重要调节设备，间接式调压器的动力来源于天然气自身，因此需在调压器前后管道开启取压口。取压口的卡套连接，确保螺母紧固件的安全极其重要。本文对取压口常用的卡套螺母断裂故障进行研究，通过采用宏观观察、断口分析、化学成分分析、腐蚀产物分析、显微组织分析、热模拟及晶间腐蚀试验，分析出卡套螺母的失效原因，并给出改进建议。
关键词：调压器；螺母；宏观观察；断裂；分析
引言
在高压天然气输送过程中，调压器在其中起到了重要的作用，它能有效进行控制天然气压力和流量，保持下游压力稳定，确保管道的运行安全。我司在用的某种调压器降压原理是将管道前后压力输入指挥器，通过指挥器调节调压器的开度，以达到调节压力和流量的目的。调压器前后管道的取压口是压力信号的输出源。本文针对取压口常用的卡套螺母在运行期间发生断裂这一失效情况进行分析，为了解失效过程，找出失效原因，采用宏观观察、断口分析、化学成分分析、腐蚀产物分析、显微组织分析等方法对其进行了理化检验和分析，并进行了固溶处理及晶间腐蚀试验。
1.理化检验
1.1 宏观观察
对卡套螺母进行宏观观察，横纵向均有裂纹且卡套外壁锈斑较多，存在一定量的腐蚀，如图2a）所示；卡套螺母的断裂方向为从内向外，如图2b）箭头所示。
1.2 断口分析
将卡套螺母放置于扫描型电子显微镜下观察，其断口形貌如图3所示。整个断口呈典型的蜂窝状，形貌特征为沿晶间断裂的脆性断裂，塑性变形的韧窝特征则基本未见。
1.3 化学成分分析
在卡套螺母上取样进行化学成分分析，铬元素采用滴定法分析，硅和磷元素采用分光光度计分析，其余杂质元素使用发射光谱仪进行分析，结果列于表1。结果显示，与GB/T 1220-2007《不锈钢棒》的要求相比，钼、镍含量也未达到标准要求，碳含量则超标将近2倍。
1.4 腐蚀产物分析
对裂纹附近的腐蚀产物进行色谱分析，腐蚀产物大部分为铁的氧化物和氢氧化物，含有硫元素、钼元素、硅元素和铝元素，并含有少量的氯元素。氯元素推测是大气中残留的腐蚀性介质。硅元素和铝元素应为雨水或者大气带来的附着在表面的尘土或泥沙。
1.5 显微组织分析
从裂纹部位取样，经处理后在光学显微镜和扫描电镜下进行观察。
卡套螺母的显微组织为等轴奥氏体，根据GB/T 6394-2017《金属平均晶粒度测定方法》和GB/T 10561-2005《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验方法》两项标准，对卡套螺母的非金属夹杂物等级和晶粒度进行评定，结果显示其非金属夹杂物等级为A1.0，B1.0，C0，D2.0，晶粒度为5.5级。基体中存在沿晶裂纹，晶界处可见粒状或点状的细小颗粒物，怀疑为碳化物（M23C6），如图4所示。对晶界处细小颗粒物进行色谱分析，证实该细小颗粒物为碳化铬。
1.6 热模拟及晶间腐蚀试验
为进一步判断卡套螺母的失效原因，对其进行热模拟试验（固溶处理），固溶条件为1050℃保温30～60min后快速水淬。将固溶前后的试样按照GB/T 4334-2008《金属和合金的腐蚀不锈钢晶间腐蚀试验方法》进行晶间腐蚀试验，弯曲后试样的断裂情况如图5所示。结果显示，未进行固溶处理的试样弯曲后发生断裂，经固溶处理后的试样未发生断裂且肉眼观察未见裂纹。
2.总结和分析
从以上检验结果可以看出，导致卡套螺母失效的因素主要有以下3個方面：非金属夹杂物较多、化学成分不合格和固溶处理不充分。
（1）卡套螺母材料中存在较多硫化物、氧化铝等非金属夹杂物，破坏了钢基体的连续性，造成不锈钢表面钝化膜容易受到局部破坏。由于该卡套螺母在南方室外环境下运行，空气中存在氯离子，这些非金属夹杂物在氯离子的腐蚀作用下形成坑点，在闭塞电池的作用下，坑内基体金属形成阳极区，导致孔腐蚀，因此该卡套螺母表面存在很多锈斑。
（2）卡套螺母材料的化学成分中碳含量超标，由于碳易与铬形成Cr23C6，而碳向晶界扩散的速率比铬的高，与晶界及晶界附近的铬形成碳化铬，造成晶界贫铬，从而导致晶内与晶界的铬含量有差异，构成微电池，晶界加速腐蚀。另外由于钼和镍的含量也较低，降低了不锈钢的耐腐蚀性。
（3）奥氏体不锈钢使用前应进行固溶处理，固溶处理的目的是使晶界处析出的碳化物重新溶解，贫铬区消失，可以提高钢的耐晶间腐蚀性能。而该卡套螺母在热处理阶段固溶处理不充分，导致晶界处碳化物未回溶而保存下来，材料在空气中氯离子的作用下发生了晶间腐蚀。另外，卡套螺母在装配中受到拉应力的作用，因此在装配外力的作用下，该球阀卡套螺母发生了沿晶断裂。
3.结论与建议
总而言之，卡套螺母的断裂失效问题危害巨大，取压口一旦失效，将造成调压器调压能力下降甚至停止工作，严重影响下游供气。所以掌握必要的分析方法，找到失效的真正原因尤其重要。本文对调压器取压口卡套螺母的断裂原因进行了理化检验和分析，结果表明：卡套螺母断裂的主要原因是化学成分不合格和固溶处理不充分；次要原因是大量非金属夹杂物的存在导致电化学腐蚀。因此，建议加强供应商的管理，严格控制不锈钢材料的化学成分，并在生产制造前进行抽样检查；控制材料中非金属夹杂物的含量；日常运营中对不锈钢材料进行处理，防止零件存在晶间腐蚀倾向。该研究结果对类似卡套螺母的使用和故障预防可提供一定的参考借鉴意义。
参考文献：
[1] 张良，罗金恒，张华，等.球阀断裂原因分析[J].热加工工艺，2011，40（19）：200-202.
[2] 付安庆，任越飞，来维亚，等.天然气管路导气球阀失效分析[J].装备环境工程，2017（12）：8-13.
[3] 黄超，钱征，欧阳康.自锁螺母断裂分析[J].装备制造技术，2017（10）：187-189.
[4] HG/T 20634-2009 钢制管法兰用紧固件（Class系列） [S]
关键词：调压器；螺母；宏观观察；断裂；分析
引言
在高压天然气输送过程中，调压器在其中起到了重要的作用，它能有效进行控制天然气压力和流量，保持下游压力稳定，确保管道的运行安全。我司在用的某种调压器降压原理是将管道前后压力输入指挥器，通过指挥器调节调压器的开度，以达到调节压力和流量的目的。调压器前后管道的取压口是压力信号的输出源。本文针对取压口常用的卡套螺母在运行期间发生断裂这一失效情况进行分析，为了解失效过程，找出失效原因，采用宏观观察、断口分析、化学成分分析、腐蚀产物分析、显微组织分析等方法对其进行了理化检验和分析，并进行了固溶处理及晶间腐蚀试验。
1.理化检验
1.1 宏观观察
对卡套螺母进行宏观观察，横纵向均有裂纹且卡套外壁锈斑较多，存在一定量的腐蚀，如图2a）所示；卡套螺母的断裂方向为从内向外，如图2b）箭头所示。
1.2 断口分析
将卡套螺母放置于扫描型电子显微镜下观察，其断口形貌如图3所示。整个断口呈典型的蜂窝状，形貌特征为沿晶间断裂的脆性断裂，塑性变形的韧窝特征则基本未见。
1.3 化学成分分析
在卡套螺母上取样进行化学成分分析，铬元素采用滴定法分析，硅和磷元素采用分光光度计分析，其余杂质元素使用发射光谱仪进行分析，结果列于表1。结果显示，与GB/T 1220-2007《不锈钢棒》的要求相比，钼、镍含量也未达到标准要求，碳含量则超标将近2倍。
1.4 腐蚀产物分析
对裂纹附近的腐蚀产物进行色谱分析，腐蚀产物大部分为铁的氧化物和氢氧化物，含有硫元素、钼元素、硅元素和铝元素，并含有少量的氯元素。氯元素推测是大气中残留的腐蚀性介质。硅元素和铝元素应为雨水或者大气带来的附着在表面的尘土或泥沙。
1.5 显微组织分析
从裂纹部位取样，经处理后在光学显微镜和扫描电镜下进行观察。
卡套螺母的显微组织为等轴奥氏体，根据GB/T 6394-2017《金属平均晶粒度测定方法》和GB/T 10561-2005《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验方法》两项标准，对卡套螺母的非金属夹杂物等级和晶粒度进行评定，结果显示其非金属夹杂物等级为A1.0，B1.0，C0，D2.0，晶粒度为5.5级。基体中存在沿晶裂纹，晶界处可见粒状或点状的细小颗粒物，怀疑为碳化物（M23C6），如图4所示。对晶界处细小颗粒物进行色谱分析，证实该细小颗粒物为碳化铬。
1.6 热模拟及晶间腐蚀试验
为进一步判断卡套螺母的失效原因，对其进行热模拟试验（固溶处理），固溶条件为1050℃保温30～60min后快速水淬。将固溶前后的试样按照GB/T 4334-2008《金属和合金的腐蚀不锈钢晶间腐蚀试验方法》进行晶间腐蚀试验，弯曲后试样的断裂情况如图5所示。结果显示，未进行固溶处理的试样弯曲后发生断裂，经固溶处理后的试样未发生断裂且肉眼观察未见裂纹。
2.总结和分析
从以上检验结果可以看出，导致卡套螺母失效的因素主要有以下3個方面：非金属夹杂物较多、化学成分不合格和固溶处理不充分。
（1）卡套螺母材料中存在较多硫化物、氧化铝等非金属夹杂物，破坏了钢基体的连续性，造成不锈钢表面钝化膜容易受到局部破坏。由于该卡套螺母在南方室外环境下运行，空气中存在氯离子，这些非金属夹杂物在氯离子的腐蚀作用下形成坑点，在闭塞电池的作用下，坑内基体金属形成阳极区，导致孔腐蚀，因此该卡套螺母表面存在很多锈斑。
（2）卡套螺母材料的化学成分中碳含量超标，由于碳易与铬形成Cr23C6，而碳向晶界扩散的速率比铬的高，与晶界及晶界附近的铬形成碳化铬，造成晶界贫铬，从而导致晶内与晶界的铬含量有差异，构成微电池，晶界加速腐蚀。另外由于钼和镍的含量也较低，降低了不锈钢的耐腐蚀性。
（3）奥氏体不锈钢使用前应进行固溶处理，固溶处理的目的是使晶界处析出的碳化物重新溶解，贫铬区消失，可以提高钢的耐晶间腐蚀性能。而该卡套螺母在热处理阶段固溶处理不充分，导致晶界处碳化物未回溶而保存下来，材料在空气中氯离子的作用下发生了晶间腐蚀。另外，卡套螺母在装配中受到拉应力的作用，因此在装配外力的作用下，该球阀卡套螺母发生了沿晶断裂。
3.结论与建议
总而言之，卡套螺母的断裂失效问题危害巨大，取压口一旦失效，将造成调压器调压能力下降甚至停止工作，严重影响下游供气。所以掌握必要的分析方法，找到失效的真正原因尤其重要。本文对调压器取压口卡套螺母的断裂原因进行了理化检验和分析，结果表明：卡套螺母断裂的主要原因是化学成分不合格和固溶处理不充分；次要原因是大量非金属夹杂物的存在导致电化学腐蚀。因此，建议加强供应商的管理，严格控制不锈钢材料的化学成分，并在生产制造前进行抽样检查；控制材料中非金属夹杂物的含量；日常运营中对不锈钢材料进行处理，防止零件存在晶间腐蚀倾向。该研究结果对类似卡套螺母的使用和故障预防可提供一定的参考借鉴意义。
参考文献：
[1] 张良，罗金恒，张华，等.球阀断裂原因分析[J].热加工工艺，2011，40（19）：200-202.
[2] 付安庆，任越飞，来维亚，等.天然气管路导气球阀失效分析[J].装备环境工程，2017（12）：8-13.
[3] 黄超，钱征，欧阳康.自锁螺母断裂分析[J].装备制造技术，2017（10）：187-189.
[4] HG/T 20634-2009 钢制管法兰用紧固件（Class系列） [S]