杨波，俞少行，井建鑫，张再经，张生金，陈吉伟

（1.中国文昌航天发射场，海南 文昌 571300；2.航天发射场可靠性技术重点实验室，海口 570100）

基于火箭和航天器发射后的安全和成本等方面的考虑，全球多数航天发射场沿海而建，如美国的肯尼迪航天中心和范登堡空军基地、欧洲航天局的库鲁太空中心、日本的种子岛宇宙中心、印度的斯里哈里科塔发射场等。海南文昌航天发射场是我国首个低纬度滨海航天发射场。滨海发射场，特别是处于赤道附近的滨海发射场，发射地球同步航天器能够利用地球自转提高火箭运力和延长航天器（卫星）在轨寿命。但是，滨海发射场所处的复杂气候腐蚀环境严重威胁发射场地面设备设施的可靠性，美国肯尼迪航天中心等世界各国滨海发射场每年耗费巨额资金用于海洋环境腐蚀问题。我国的海南文昌航天发射场比美国同类发射场面临更为严酷的热带海洋腐蚀环境，其腐蚀等级为GB/T 19292.1—2018规定的最高大气腐蚀等级CX（极高）[1]，发射场地面设备设施的可靠正常运行面临严峻挑战。

航天发射场有各式连接螺栓等紧固件，仅高强度螺栓就不少于20万个，其可靠性对发射场地面设备 设施的正常运行至关重要[2-3]。文中针对滨海发射场用于低温管路法兰连接的高强度螺栓的断裂问题进行了失效分析，结合螺栓所处“高温、高湿、高盐雾”（三高）海洋环境及使用过程中低温高压的工况，通过分析影响螺栓的盐雾腐蚀、应力作用、形貌特征、化学成分及硬度等因素[4-5]，明确了高强度连接螺栓的腐蚀断裂原因，并采取有效措施，避免此类问题的发生。

1 实验与分析方法

1.1 服役环境分析

断裂螺柱位于低温高压截止阀进出口法兰，以断裂螺栓螺柱为研究对象，如图1所示。断裂螺柱的断口无明显的塑性变形，呈脆性断裂状态，断口存在数条短裂纹，裂纹呈扩散状态。结合螺栓损伤形态，讨论服役环境的影响因素，通过海洋腐蚀环境分析盐雾腐蚀因素，通过低温流体温度应力分析螺栓受力损伤因素。

图1 低温高压截止阀双头螺柱断裂情况 Fig.1 Breaking of double-headed studs of low-temperature and high-pressure shut-off valves: a) stud fracture position change; b) stud fracture crack; c) flange assembly drawing

1.2 形貌和金相分析

通过断裂螺柱断面的形貌和金相分析，确定其腐蚀断面形貌和微观组织形态。通过扫描电镜SEM&EDS（SUPRA 55VP&APOLLO X和S-4300& Jenesis-60）分析其微观相貌，通过体视显微镜（SMZ1000）分析其宏观形貌，通过金相显微镜（LV150）分析其微观组织，依据GB/T 13298—2015《金属显微组织检验方法》进行螺栓断面分析[6]。

1.3 化学成分及硬度分析

通过分析断裂螺柱的化学元素成分和硬度，确认其元素构成和硬度是否符合标准要求。通过电感耦合等离子发射光谱仪（Agilent 5100）分析螺柱中的金属元素和非金属元素[7]，通过高频红外碳硫分析仪（T-HCS500A）分析螺柱中的硫元素，通过扫描电镜SEM&EDS（S-4300&Jenesis-60）进行螺柱断口微观形貌表面的能谱元素分析，通过数显电子布氏硬度计（HBS-3000）测定螺柱的硬度，测试方法依据GB⁄T 231.1—2018《金属材料 布氏硬度试验 第1部分：试验方法》。

2 结果与讨论

2.1 服役工况条件

2.1.1 海洋环境盐雾腐蚀

螺栓所处的低温管路系统位于室外环境，距离海边约1 km，盐雾浓度为2~5 mg/m3，累年平均相对湿度为86%，年均温度为24 ℃以上，具有高温、高湿、高盐雾、强海风的气候特征，设备表面盐雾腐蚀情况严重。发生断裂失效的螺柱位于系统低温管路的低温高压截止阀处，螺柱表面未进行防腐处理。螺柱光杆部位裸露在高温、高湿与盐雾腐蚀的环境中，腐蚀物质（氯离子等）在光杆部位富集，螺柱光杆部位形成离散的点蚀坑。随着使用时间的增长，点蚀坑数量增多，点蚀坑变大，海洋盐雾环境导致螺柱表面腐蚀严重[8]。

2.1.2 低温流体温度应力

螺栓所处的管路输送介质为低温液体（液氮，–196 ℃），液氮通过管路时，法兰连接螺栓结霜，螺栓温变产生温度应力。同时，在低温工况下，管路因温变应力发生形变，螺柱受力情况复杂。当管道内介质及周围环境温度发生变化时，将引起管道的热胀冷缩，对管路造成二次应力。仿真分析结果显示，螺栓在现场工况下能承受的最大拉力（即许用拉力）范围 为45 000~49 500 N，低温高压截止阀两端轴向受力均为30 000 N以上，占许用应力的60%~67%。根据经验，当螺栓实际受力达到许用应力的60%以上，将对其造成破坏。由此可得，该段管路的二次应力较大，存在加速法兰连接螺栓损伤的可能。

2.2 形貌分析

2.2.1 宏观形貌

螺柱光杆部分及靠近光杆螺纹处，均存在不同程度的腐蚀现象（如图2所示），腐蚀区域存在灰黑色及棕红色腐蚀产物。螺柱断裂面位于光杆部位，光杆部位有微弯趋势。光杆部位存在纵裂纹和沿轴向扩展裂纹，纵裂纹沿径向扩展，延伸至螺柱内部，同时有数条小裂纹与纵裂纹交错。将螺柱沿轴向裂纹剖开，裂纹断口较平整，断口富集棕黄色的腐蚀产物，整个断口有明显点蚀坑。沿径向剖开，在剖面可观察到有数条裂纹，螺柱在外力作用下沿裂纹发生撕裂。

图2 螺柱裂纹宏观形貌 Fig.2 Macro morphology of stud cracks: a) fracture groove morphology; b) fracture crack morphology; c) stud fracture morphology; d) stud section morphology; e) transverse section; f) longitudinal section

2.2.2 微观形貌

断裂螺柱酒精超声清洗后，断口微观形貌如图3所示。靠近表面的断面（沟槽）腐蚀严重，晶面上存在泥状的腐蚀花样（腐蚀产物），部分靠近表面的沟槽可见清晰的沿晶断口。宏观上呈红黑色的断面微观呈沿晶形貌，可见沿晶二次裂纹。从表面向心部，可见沿晶的扩展区，心部可见细小韧窝，表明该位置是最后断裂的位置（瞬断区）。这与宏观特征相符，裂纹从表面萌生，向心部扩展，最后在心部发生最终的断裂。裂纹源存在腐蚀形貌和沿晶断口，瞬断区是韧窝。根据断口形貌可知，螺栓的断裂是应力腐蚀断裂[9-10]。

图3 螺柱断口微观形貌 Fig.3 Microscopic morphology of the stud fracture: a) groove; b) muddy pattern; c) core; d) extension zone; e) transient fault zone; f) muddy corrosion product

2.2.3 微观组织

从未蚀刻的金相（见图4）可知，裂纹均起源于表面，然后向内部扩展。裂纹呈树枝状，为典型的应力腐蚀裂纹。裂纹尖端可见多边形晶粒，表明裂纹是沿晶扩展。从蚀刻后的金相可知（见图5），横向与纵向的组织均为单相奥氏体，已经完全再结晶，仍可见部分变形晶粒，组织应为退火态组织。晶粒细小，晶粒度为 9.5~10 级。高频红外分析表明，存在少量细带状的硫化夹杂物。

图4 未蚀刻螺栓的微观组织 Fig.4 Microstructure of unetched bolts: a) transverse grain crack; b) longitudinal grain crack

图5 蚀刻后螺栓的微观组织 Fig.5 Microstructure of etched bolts: a) horizontal; b) vertical

金相分析表明，断口附近存在较多沿晶分叉裂纹，显微组织为奥氏体，未见孪晶，高频红外分析晶界上可见连续分布的碳化物。裂纹是沿晶扩展，表明非固溶态的螺栓在材料成形或热加工过程中于敏化温度下停留时间过长，由此导致了晶间腐蚀现象的产生。

2.3 化学成分分析

管路法兰连接螺栓采用304不锈钢材质（06Cr19 Ni10），该材质的不锈钢化学成分技术要求应满足GB 1220—2007。对断裂螺栓进行化学成分检测，结果见表1。由检测结果可知，C、S、Cr含量均不满足标准要求， C、S含量超出标准上限，Cr含量低于标准下限。本次断裂的螺栓材质成分中C、Cr、S的成分异常。

表1 双头螺栓各元素含量对比 Tab.1 Comparison of the content of each element of the double-headed bolt

C的含量是影响不锈钢晶间腐蚀最主要的因素，C的质量分数超过0.08%，会形成“贫铬区”，产生晶间腐蚀的倾向就会大大增加。Cr为决定不锈钢性能的主要元素，有助于钢表面富铬氧化物膜（即钝化膜）的形成，提高钢的耐腐蚀性能。S作为有害杂质，会形成硫化物非金属夹杂，导致钢材的热塑性下降， 并引起沿晶间的开裂。此次发生断裂的螺栓材质为奥氏体不锈钢06Cr19Ni10（304不锈钢），C和S含量过高，Cr含量过低。因此含量过高的C与Cr反应形成碳化物，消耗了本身含量就低于标准的Cr，使晶界形成“贫铬区”，产生晶间腐蚀。含量过高的S元素与Ni形成低熔点的共晶，并沿晶界分布，导致钢材的热塑性下降，并引起沿晶间的开裂。因此，螺栓材质成分的异常对其性能造成了影响，降低其耐腐蚀性，形成晶间腐蚀，使螺栓具有易断裂的特性[11]。利用扫描电镜对断裂螺柱断口进行能谱元素分析，见图6和图7。对断口进行观察发现，整个断面未见材料缺陷，晶面上存在腐蚀痕迹或附着较多“泥纹”状腐蚀产物。能谱分析表明，其腐蚀产物主要含有Fe、O及腐蚀性介质Cl、S元素。对宏观上呈灰亮色的螺柱断面进行微观形貌及能谱分析，断面微观呈韧窝形貌，含有元素Fe（主）、Cr（17.6%~18.0%）、Ni（7.4%~ 8.2%）、Mn（1.0%~1.1%）、Si（0.6%~0.8%），主合金元素及含量与06Cr19Ni10牌号相符。断口材料能谱分析结果表明，两根断裂螺柱断口均富氧，且含S、C1元素。说明氯化物和硫化物直接促进了奥氏体不锈钢的腐蚀。在富氧环境中，S2–、C1–共同作用，加速了螺柱裂纹的产生和扩展[12-14]。

图6 晶面腐蚀产物及能谱分析 Fig. 6 Corrosion products on the crystal plane and their energy spectrum analysis: a) corrosion products; b) energy spectrum analysis

图7 断口微观形貌及其能谱分析 Fig. 7 Microscopic morphology of fracture surface and energy spectrum analysis: a) dimple section; b) energy spectrum analysis

2.4 基体材质硬度

螺柱质量要求标准为GB/T 901—1988和GB 1220—2007[15-16]，双头螺柱所用材料为06Cr19Ni10，显微硬度不大于90HRB，布氏硬度不大于187HBW。其生产工艺流程为：原料采购—成分检验—下料—车中径—表面渗透检查—滚丝—表面清洗脱油脱脂—成品检验—入库包装。该不锈钢棒应以固溶状态交货（经过固溶处理后，不锈钢棒强度不变、硬度降低、韧性提高、避免晶间出现贫铬现象）。

对断裂螺栓进行硬度测试，显微硬度测试平均值约为108HRB，布氏硬度测定值为320HBW，均不满足标准规定的硬度要求，不满足固溶态要求。结合显微组织判断，通过检验分析确认：材料为变形强化态，非固溶态，即该螺栓未进行固溶工艺处理，加工工艺不满足设计标准要求[17-18]。

3 结论与建议

滨海发射场法兰连接螺栓断裂机理可以概括为螺栓盐雾腐蚀与应力共同作用下导致应力腐蚀，主要包括：

1）“高温、高湿、高盐雾”的海洋腐蚀环境中，耐腐蚀性能较差的螺栓在热应力作用下萌生裂纹，在热应力和拉应力的作用下进行扩展，发生应力腐蚀开裂，产生延迟脆性断裂。

2）螺栓由于未按规范进行固溶处理，材质部分成分含量偏离标准，致使耐腐蚀性能及韧性下降，导致应力腐蚀加剧。

为防止以后类似情况的发生，应严格进场质量把关，对后续采购的螺栓等紧固件部件严格按照标准进行验收，复检固溶处理等工艺处理情况，并适当采用表面涂层防护措施[19-20]。同时，应规范螺栓预紧力，优化管路布局，降低对法兰螺栓的拉伸应力，降低二次应力。