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壓力變送器閥門法蘭固定螺栓斷裂失效分析
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壓力變送器閥門法蘭固定螺栓斷裂失效分析

時間:2022-02-16 11:18:02
摘要: 某氯堿廠燒堿裝置氯氣壓縮機(jī)智能壓力變送器閥門法蘭固定螺栓發(fā)生斷裂,采用宏觀分析、化學(xué)成分分析、金相分析、硬度測試等方法對螺栓斷裂失效的原因進(jìn)行分析。結(jié)果表明: 斷裂螺栓材質(zhì)不符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求,其中 Cr、Ni含量偏低,Mn 含量偏高; 螺栓的斷裂屬于應(yīng)力腐蝕開裂,裂紋起源于螺栓光桿部分的晶間腐蝕,以沿晶形式擴(kuò)展,其腐蝕介質(zhì)主要為氯化物。
 
1、概述
某氯堿廠離子膜燒堿裝置設(shè)計規(guī)模 20 Mt /a,是以食鹽為主要原料,通過電解鹽水生產(chǎn)氯氣、氫氣和燒堿。其中氯氣經(jīng)干燥、壓縮后送下游裝置,作為聚氯乙烯產(chǎn)品的生產(chǎn)原料。裝置主要生產(chǎn)單元包括: 二次鹽水精制、電解、氯氣處理、氫氣處理、淡鹽水處理、堿蒸發(fā)、事故氯氣吸收、次氯酸鈉精制等。
 
該裝置氯氣壓縮機(jī)智能壓力變送器閥門法蘭共有4 根固定螺栓,2021 年 4 月 10 日,其中 1 根螺栓發(fā)生斷裂,導(dǎo)致密封失效。斷裂螺栓材質(zhì)為奧氏體 304 不銹鋼,規(guī)格為 M16 雙頭螺栓,于 2017 年 9 月安裝使用。本文從斷口、化學(xué)成分、金相組織、硬度、環(huán)境因素等方面對螺栓斷裂失效原因進(jìn)行分析,并提出了改進(jìn)措施。 2 理化檢驗及結(jié)果
 
2. 1 斷口分析
2. 1. 1 斷口宏觀形貌
通過觀察斷裂螺栓的斷口形貌,可以看出斷裂發(fā)生在光桿部位,無明顯的塑性變形,如圖 1 所 示; 斷口為脆性斷裂,呈臺階狀,斷口上覆蓋有黑褐色的腐蝕產(chǎn)物,如圖 2 所示。 2. 1. 2 斷口微觀分析采用 SEM 及 EDS 對螺栓斷口表面黑褐色的腐蝕物區(qū)域進(jìn)行分析,微觀形貌如圖 3 所示,成分及含量結(jié)果如表 1 所示。
斷裂螺栓宏觀形貌2 斷口宏觀形貌
由圖 3 可以看出,斷口截面存在點蝕坑。由 表 1 可知: 斷口表面腐蝕物區(qū)域主要含有 O、Fe、 Cl、Mn、Cr 等元素,其中腐蝕物芯部區(qū)域、邊緣區(qū)域的 Cl 質(zhì)量分?jǐn)?shù)均在4. 00% 以上,且邊緣區(qū)域含量高于芯部區(qū)域。
斷口截面腐蝕物區(qū)域 SEM 圖像斷口截面腐蝕物區(qū)域 EDS 結(jié)果
2. 2 化學(xué)成分分析
為了檢驗斷裂螺栓的化學(xué)成分是否符合 GB / T 1220—2016 技術(shù)要求,采用直讀光譜儀對斷裂螺栓進(jìn)行取樣檢測,結(jié)果見表 2。
化學(xué)成分檢測結(jié)果
由表 2 可知: 斷裂螺栓化學(xué)成分中 Cr、Ni 含量低于標(biāo)準(zhǔn)值,而 Mn 含量高于標(biāo)準(zhǔn)值。 
 
2. 3 金相分析
金相分析是金屬斷裂分析中的重要手段,能夠檢驗斷裂螺栓內(nèi)部的非金屬夾雜物的分布及類別、晶粒度大小、顯微組織是否正常。 
 
2. 3. 1 非金屬夾雜物檢測
對斷裂螺栓光桿部位、螺紋部位分別取樣,按 照 GB /T 10561—2005 進(jìn)行非金屬夾雜物檢測,結(jié)果見表 3。
非金屬夾雜物檢測結(jié)果
由表 3 結(jié)果可知: 螺栓中非金屬夾雜物以硫化物及氮化物為主。
 
2. 3. 2 晶粒度檢驗( 見圖 4)
對斷裂螺栓光桿部位、螺紋部位分別取樣,按 照 GB /T 6394—2017 進(jìn)行晶粒度檢驗,斷裂螺栓光桿部位和螺紋部位的晶粒度評定為 6 級。
斷裂螺栓晶粒度
2. 3. 3 顯微組織檢驗
為了檢驗斷裂螺栓內(nèi)部的組織是否正常,按 照 GB /T 13298—2015 標(biāo)準(zhǔn),對斷裂螺栓光桿部位進(jìn)行顯微組織檢驗,如圖 5 所示。
 
由圖 5a 可見: 光桿部位的金相組織為奧氏體及夾雜物,沿晶界析出少量碳化物; 由圖 5b 可見:螺紋部位呈帶狀金相組織。
 
2. 3. 4 裂紋微觀檢驗
將斷裂螺栓沿軸向剖開,發(fā)現(xiàn)斷口處有較多的沿晶裂紋,如圖 6a 所示; 同時發(fā)現(xiàn)多條由光桿表面向內(nèi)與斷口同一方向的樹枝狀擴(kuò)展裂紋,如 圖 6b 所示,裂紋呈典型的應(yīng)力腐蝕裂紋,如圖 6c所示。 
 
2. 4 硬度檢測
按照國標(biāo) GB /T 230. 1—2018 標(biāo)準(zhǔn),對斷裂螺栓光桿部位與螺紋部位的軸向截面進(jìn)行洛氏硬度檢測,結(jié)果如表 4 所示。
 
由表 4 結(jié)果可知: 螺栓的硬度由邊緣向芯部逐漸降低,而光桿部位芯部硬度低于螺紋部位。
 
3 斷裂原因分析
由上述檢驗結(jié)果可知: 斷裂螺栓化學(xué)成分中Cr、Ni 含量偏低,Mn 含量偏高,不符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。Cr、Ni 是提高不銹鋼耐腐蝕性能的關(guān)鍵元素,不僅可以提高鋼基體的電極電位,還能促進(jìn)在鋼的表面形成一層穩(wěn)定、完整的鈍化膜,從而提高不銹鋼的耐腐蝕能力[1]。Mn 含量超標(biāo)則會降低不銹鋼的耐點蝕性能和耐縫隙腐蝕性能。斷裂螺栓中 Cr、Ni 含量偏低,Mn 含量偏高,導(dǎo)致螺栓耐腐蝕能力下降。
 
從螺栓斷口分析可知其表面腐蝕物中 Cl 含量較高。這是因為智能壓力變送器閥門法蘭長期暴露于涉氯區(qū)域大氣中,且外部包覆保溫材料,Cl - 在法蘭固定螺栓與保溫層間隙處積累并濃縮。同 時,壓縮機(jī)工作時會對法蘭固定螺栓產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。奧氏體不銹鋼對 Cl - 極為敏感,較低濃度 Cl - 的應(yīng)力環(huán)境即能引起應(yīng)力腐蝕開裂。因此,螺栓的斷裂是由拉應(yīng)力和氯化物造成的應(yīng)力腐蝕開裂,且腐蝕介質(zhì)氯化物隨裂紋擴(kuò)展由螺栓表面向芯部逐漸侵入[2]。
 
斷裂螺栓的裂紋起源于螺栓外表面,裂紋呈樹枝狀發(fā)散,擴(kuò)展方式以沿晶為主。顯微組織檢查中發(fā)現(xiàn)沿晶界析出少量碳化物,這些碳化物主要以碳化鉻( Cr23 C6 ) 的形式存在,消耗了晶界附近大量的鉻,造成晶界貧鉻,加劇了晶間腐蝕傾向; 此外,斷裂螺栓中的 Cr、Ni 含量偏低,更消弱了基體的抗晶間腐蝕能力,腐蝕主要沿晶界發(fā)展,故形成了沿晶裂紋[3]。
 
螺栓斷裂發(fā)生在光桿部位。這是因為螺紋部分一般是經(jīng)碾壓而成型,螺紋根部存在較大的壓應(yīng)力,所以其截面硬度高于光桿部位; 同時,由于存在較大的壓應(yīng)力,也降低了奧氏體不銹鋼對應(yīng)力腐蝕的敏感性。螺栓中間的光桿部位在成型過程中未形成顯著壓應(yīng)力,其硬度偏低,在受拉應(yīng)力
的作用下易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。
 
此外,環(huán)境的溫度變化、干濕交替也會加速螺栓的腐蝕斷裂。 
 
4 改進(jìn)措施及效果
( 1) 改善螺栓使用環(huán)境。優(yōu)化法蘭固定螺栓防凍、防凝方式,拆除保溫層,降低因 Cl - 集聚而誘發(fā)的應(yīng)力腐蝕開裂風(fēng)險。
( 2) 更換 4 根法蘭固定螺栓,螺栓材質(zhì)由奧氏體304 不銹鋼改為35CrMo 鋼,并在螺栓表面進(jìn)行防腐處理。 
( 3) 安裝螺栓時,通過應(yīng)用定力矩緊固技術(shù),確保每根螺栓受力均勻,避免螺栓出現(xiàn)拉應(yīng)力過大或者受力不均情況。 
( 4) 嚴(yán)格控制螺栓質(zhì)量檢驗,避免使用不合格產(chǎn)品,并建立可追溯臺賬。
 
措施實施以后,半年時間的運(yùn)行結(jié)果表明: 螺栓狀態(tài)良好,未發(fā)現(xiàn)腐蝕、裂紋等異常情況,設(shè)備隱患得到消除,為生產(chǎn)裝置長周期安全運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。
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