El análisis de la rotura de tornillos de la brida de la válvula de puerta de gas natural

Cuando una compañía de gas natural estaba inspeccionando y reparando el oleoducto, se encontró que algunos de los tornillos de fijación de las bridas de las válvulas de compuerta estaban rotos. El válvula de compuerta Está enterrado debajo del suelo. La presión dentro de la válvula es de 0.4MPa; el medio es gas natural, y la resistencia del tornillo es de grado 12.9, que es un tornillo de alto impacto. Con el fin de conocer la causa de la rotura del tornillo, se llevaron a cabo la siguiente inspección y análisis.

1. Inspección y Análisis
1.1 Inspección macro de fracturas de tornillos
Utilice acetone y ondas ultrasónicas para eliminar los desechos y las manchas en la superficie de los tornillos y luego realice una inspección macro. Se encontró que la fractura del tornillo era perpendicular a su eje, y no había deformación plástica obvia antes de romperse, es decir, fractura frágil.

1.2. El análisis de la composición química del tornillo
Los tornillos se enviaron para el análisis de composición química. Los resultados de las pruebas se muestran en la Tabla 1. De acuerdo con el estándar proporcionado por el fabricante y los requisitos de material para 35CrMoA en GB / T3077, se puede ver que la composición química del material del tornillo obtenido por el método químico cumple con los requisitos de 35CrMoA.

Tabla 1 La composición química de los tornillos%

 
1.3 Análisis metalográfico de tornillos
De acuerdo con el análisis de la estructura metalúrgica del material del tornillo por el laboratorio físico y químico de la estación de supervisión e inspección de calidad del producto metalúrgico de Hubei, la estructura metalúrgica del tornillo es sorbita templada, como se muestra en la Figura 1.

 
Figura 1 Estructura metalográfica de los tornillos

1.4. Análisis de la morfología microscópica de la fractura del tornillo
Se tomaron muestras de 5 tornillos rotos en la válvula de compuerta donde ocurrió el accidente y fueron numerados del 1 al 5; se observó la fractura del tornillo mediante microscopios electrónicos de barrido. La micro morfología de la fractura del tornillo No. 1 se muestra en la Figura 2. La Figura 2 (a), (b), (c) son la micro-morfología del área de borde del tornillo No. 1. Se pudo ver de la figura que las micro grietas entre los límites del grano eran claras, que eran fallas intergranulares obvias. La fractura de estas áreas era en forma de azúcar cristalino. La morfología microscópica de la zona central del tornillo No. 1 se muestra en la Figura 2 (d). La dureza es muy obvia, y la microestructura es muy perfecta, mostrando una forma de crisantemo e indicando que la microestructura del tornillo se vuelve poco a poco pobre desde el núcleo hasta la superficie exterior. Las morfologías microscópicas de las fracturas de los otros cuatro tornillos son similares a las del tornillo N o 1. Existen grietas intergranulares graves, grietas intergranulares múltiples y grietas conectadas.


Figura 2 La morfología SEM de la fractura del tornillo N o 1

1.5 El análisis microscópico de las secciones del eje de tornillos
Con el fin de estudiar las causas de las grietas intergranulares en la fractura del tornillo, se cortó el tornillo No. 1 a lo largo de la sección axial y se analizó mediante microscopio electrónico de barrido. Como se muestra en la Figura 3, el material del tornillo tenía graves grietas intergranulares, lo que indica que había defectos en el material, por ejemplo, micro grietas.

 
Figura 3 La morfología SEM de las secciones de eje de los tornillos No. 1

1.6 Análisis del espectro de energía de la fractura del tornillo
Se realizó el análisis del espectro de energía de los puntos relevantes de las fracturas de los 5 tornillos rotos anteriores, y los resultados se muestran en la Tabla 2. A partir del análisis del espectro de energía de los tornillos No. 1 y No. 2, se puede ver que los elementos de la microzona contienen altas impurezas como Si y S. Si son 3,26 y 0,74, S 0,34 y 4,40. El valor normal de Si debe ser inferior al 0,30%, y S 0.035%. Ca e incluso Cl se miden en áreas donde el agrietamiento intergranular es muy serio. La segregación de azufre, fósforo y otros elementos forma inclusiones, y la distribución desigual de los cristales de elementos hace que la fragilidad del material aumente, lo que causa la generación de grietas intergranulares. Muestra que es muy probable que la "segregación de impurezas" sea la causa de la fractura quebradizo de estos dos tornillos. Los resultados del análisis de los elementos de microzona del tornillo No. 4 y No. 5 muestran que el contenido de impurezas como Si y S es muy bajo, mientras que el de Cr y Mn es muy alto. No hay pérdidas en el compuesto. Entonces, esta fractura puede ser causada por la "fragilidad del hidrógeno ".

Tabla 2 El análisis del espectro de energía de la fractura del tornillo

2. El análisis exhaustivo
Se pudo ver que la fractura del tornillo era una fractura frágil basada en el análisis anterior, porque el tornillo tenía grietas intergranulares microscópicas. La fractura fue la fractura frágil causada por la propagación de grietas intergranulares en cierta medida.

Aunque los datos del análisis de la composición química del material del tornillo son consistentes con el estándar proporcionado por el fabricante, el análisis del espectro de energía de la fractura del tornillo revela que la distribución de impurezas en el material es desigual. El contenido de impurezas como el silicio, el azufre y el fósforo en algunas partes es relativamente alto, lo que es propicio para la formación de grietas intergranulares. Al mismo tiempo, a través del análisis microscópico de la sección del eje del tornillo, se puede saber que hay micro-grietas en el interior del material del tornillo La resistencia del diseño de los tornillos del fabricante tiene el grado más alto. Los procesos de fabricación de tornillos de acero de alto impacto son generalmente los siguientes: varillas de alambre → dibujo en frío → recocido esferoidizado → descamación mecánica → decapado → dibujo en frío → cabeza en frío → rodadura de engranajes → tratamiento térmico. Entre ellos, el encurtido y el rodamiento de engranajes son propensos a los defectos. Si no presta atención al tratamiento de eliminación de hidrógeno después del decapado, puede causar que el hidrógeno quebradice el material. El rodamiento del engranaje causará deformación de los materiales y puede causar arañazos o grietas en la superficie del hilo, lo que resulta en una falla frágil del tornillo. El tornillo está hecho de 35CrMnA, que tiene una buena resistencia a la corrosión por estrés de sulfuro de hidrógeno bajo la condición de que no haya defectos y tensión a la tracción pequeña. Sin embargo, en el caso de defectos en el tornillo, es necesario estudiar cómo prevenir la fractura frágil del tornillo causada por la propagación de la grieta.

3. Conclusión
Los tornillos fracturados tienen grietas intergranulares graves, que son fracturas frágiles cuando las grietas intergranulares se propagan y penetran hasta cierto punto. El contenido de impurezas como el silicio, el azufre y el fósforo es relativamente alto en algunas partes de la fractura del tornillo, y la "segregación de impurezas" es propicio para la formación de grietas intergranulares. El fabricante elige tornillos de alto impacto de Grado 12.9. El proceso de fabricación de tornillos de alto impacto se maneja de manera incorrecta, y hay residuos de hidrógeno, lo que lleva a defectos como micro grietas en el material del tornillo. Por lo tanto, la fractura del tornillo es causada por la "fragilidad del hidrógeno", que también es el principal factor de la falla frágil del tornillo.

A través de los cálculos, el uso de tornillos ordinarios con un grado de resistencia de 6,8 puede cumplir con los requisitos de resistencia de la válvula de compuerta durante el uso. Mientras tanto, los tornillos ordinarios de grado 6.8 no están sujetos a decapado y otros procesos de fabricación, y se reduce el riesgo de generar grietas microscópicas debido al residuo de hidrógeno en la producción de tornillos. Se recomienda que se adopten tornillos ordinarios de grado 6.8.