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压力龙8登录网站阀门法兰固定螺栓断裂失效分析

时间:2022-02-16 11:18:02
摘要: 某氯碱厂烧碱装置氯气压缩机智能压力龙8登录网站阀门法兰固定螺栓发生断裂,采用宏观分析,化学成分分析,金相分析,硬度测试等方法对螺栓断裂失效的原因进行分析。结果表明: 断裂螺栓材质不符合技术标准要求,其中 Cr,Ni含量偏低,Mn 含量偏高; 螺栓的断裂属于应力腐蚀开裂,裂纹起源于螺栓光杆部分的晶间腐蚀,以沿晶形式扩展,其腐蚀介质主要为氯化物。
 
1,概述
某氯碱厂离子膜烧碱装置设计规模 20 Mt /a,是以食盐为主要原料,通过电解盐水生产氯气,氢气和烧碱。其中氯气经干燥,压缩后送下游装置,作为聚氯乙烯产品的生产原料。装置主要生产单元包括: 二次盐水精制,电解,氯气处理,氢气处理,淡盐水处理,碱蒸发,事故氯气吸收,次氯酸钠精制等。
 
该装置氯气压缩机智能压力龙8登录网站阀门法兰共有4 根固定螺栓,2021 年 4 月 10 日,其中 1 根螺栓发生断裂,导致密封失效。断裂螺栓材质为奥氏体 304 不锈钢,规格为 M16 双头螺栓,于 2017 年 9 月安装使用。本文从断口,化学成分,金相组织,硬度,环境因素等方面对螺栓断裂失效原因进行分析,并提出了改进措施。 2 理化检验及结果
 
2. 1 断口分析
2. 1. 1 断口宏观形貌
通过观察断裂螺栓的断口形貌,可以看出断裂发生在光杆部位,无明显的塑性变形,如图 1 所 示; 断口为脆性断裂,呈台阶状,断口上覆盖有黑褐色的腐蚀产物,如图 2 所示。 2. 1. 2 断口微观分析采用 SEM 及 EDS 对螺栓断口表面黑褐色的腐蚀物区域进行分析,微观形貌如图 3 所示,成分及含量结果如表 1 所示。
由图 3 可以看出,断口截面存在点蚀坑。由 表 1 可知: 断口表面腐蚀物区域主要含有 O,Fe, Cl,Mn,Cr 等元素,其中腐蚀物芯部区域,边缘区域的 Cl 质量分数均在4. 00% 以上,且边缘区域含量高于芯部区域。
2. 2 化学成分分析
为了检验断裂螺栓的化学成分是否符合 GB / T 1220—2016 技术要求,采用直读光谱仪对断裂螺栓进行取样检测,结果见表 2。
由表 2 可知: 断裂螺栓化学成分中 Cr,Ni 含量低于标准值,而 Mn 含量高于标准值。 
 
2. 3 金相分析
金相分析是金属断裂分析中的重要手段,能够检验断裂螺栓内部的非金属夹杂物的分布及类别,晶粒度大小,显微组织是否正常。 
 
2. 3. 1 非金属夹杂物检测
对断裂螺栓光杆部位,螺纹部位分别取样,按 照 GB /T 10561—2005 进行非金属夹杂物检测,结果见表 3。
由表 3 结果可知: 螺栓中非金属夹杂物以硫化物及氮化物为主。
 
2. 3. 2 晶粒度检验( 见图 4)
对断裂螺栓光杆部位,螺纹部位分别取样,按 照 GB /T 6394—2017 进行晶粒度检验,断裂螺栓光杆部位和螺纹部位的晶粒度评定为 6 级。
2. 3. 3 显微组织检验
为了检验断裂螺栓内部的组织是否正常,按 照 GB /T 13298—2015 标准,对断裂螺栓光杆部位进行显微组织检验,如图 5 所示。
 
由图 5a 可见: 光杆部位的金相组织为奥氏体及夹杂物,沿晶界析出少量碳化物; 由图 5b 可见:螺纹部位呈带状金相组织。
 
2. 3. 4 裂纹微观检验
将断裂螺栓沿轴向剖开,发现断口处有较多的沿晶裂纹,如图 6a 所示; 同时发现多条由光杆表面向内与断口同一方向的树枝状扩展裂纹,如 图 6b 所示,裂纹呈典型的应力腐蚀裂纹,如图 6c所示。 
 
2. 4 硬度检测
按照国标 GB /T 230. 1—2018 标准,对断裂螺栓光杆部位与螺纹部位的轴向截面进行洛氏硬度检测,结果如表 4 所示。
 
由表 4 结果可知: 螺栓的硬度由边缘向芯部逐渐降低,而光杆部位芯部硬度低于螺纹部位。
 
3 断裂原因分析
由上述检验结果可知: 断裂螺栓化学成分中Cr,Ni 含量偏低,Mn 含量偏高,不符合技术标准要求。Cr,Ni 是提高不锈钢耐腐蚀性能的关键元素,不仅可以提高钢基体的电极电位,还能促进在钢的表面形成一层稳定,完整的钝化膜,从而提高不锈钢的耐腐蚀能力[1]。Mn 含量超标则会降低不锈钢的耐点蚀性能和耐缝隙腐蚀性能。断裂螺栓中 Cr,Ni 含量偏低,Mn 含量偏高,导致螺栓耐腐蚀能力下降。
 
从螺栓断口分析可知其表面腐蚀物中 Cl 含量较高。这是因为智能压力龙8登录网站阀门法兰长期暴露于涉氯区域大气中,且外部包覆保温材料,Cl - 在法兰固定螺栓与保温层间隙处积累并浓缩。同 时,压缩机工作时会对法兰固定螺栓产生较大的拉应力。奥氏体不锈钢对 Cl - 极为敏感,较低浓度 Cl - 的应力环境即能引起应力腐蚀开裂。因此,螺栓的断裂是由拉应力和氯化物造成的应力腐蚀开裂,且腐蚀介质氯化物随裂纹扩展由螺栓表面向芯部逐渐侵入[2]。
 
断裂螺栓的裂纹起源于螺栓外表面,裂纹呈树枝状发散,扩展方式以沿晶为主。显微组织检查中发现沿晶界析出少量碳化物,这些碳化物主要以碳化铬( Cr23 C6 ) 的形式存在,消耗了晶界附近大量的铬,造成晶界贫铬,加剧了晶间腐蚀倾向; 此外,断裂螺栓中的 Cr,Ni 含量偏低,更消弱了基体的抗晶间腐蚀能力,腐蚀主要沿晶界发展,故形成了沿晶裂纹[3]。
 
螺栓断裂发生在光杆部位。这是因为螺纹部分一般是经碾压而成型,螺纹根部存在较大的压应力,所以其截面硬度高于光杆部位; 同时,由于存在较大的压应力,也降低了奥氏体不锈钢对应力腐蚀的敏感性。螺栓中间的光杆部位在成型过程中未形成显著压应力,其硬度偏低,在受拉应力
的作用下易发生应力腐蚀开裂。
 
此外,环境的温度变化,干湿交替也会加速螺栓的腐蚀断裂。 
 
4 改进措施及效果
( 1) 改善螺栓使用环境。优化法兰固定螺栓防冻,防凝方式,拆除保温层,降低因 Cl - 集聚而诱发的应力腐蚀开裂风险。
( 2) 更换 4 根法兰固定螺栓,螺栓材质由奥氏体304 不锈钢改为35CrMo 钢,并在螺栓表面进行防腐处理。 
( 3) 安装螺栓时,通过应用定力矩紧固技术,确保每根螺栓受力均匀,避免螺栓出现拉应力过大或者受力不均情况。 
( 4) 严格控制螺栓质量检验,避免使用不合格产品,并建立可追溯台账。
 
措施实施以后,半年时间的运行结果表明: 螺栓状态良好,未发现腐蚀,裂纹等异常情况,设备隐患得到消除,为生产装置长周期安全运行奠定基础。
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