不銹鋼雙頭螺栓開裂案列分享

　　某煉油廠氣體精制裝置的再生塔頂浮頭式冷卻器不銹鋼雙頭螺栓使用16年發(fā)現(xiàn)斷裂。管殼式冷凝器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　圖1 管殼式冷凝器結(jié)構(gòu)

　　1.管箱2.循環(huán)水入口3.管板4.酸性氣體進(jìn)口5.管束6.浮頭

　　換熱器操作條件：操作溫度為殼程90～100℃，管程30～35℃;操作壓力為殼程0.2MPa，管程0.4MPa;介質(zhì)為殼程循環(huán)水，管程酸性氣體;雙頭螺栓M20×2.5mm，材質(zhì)為35CrMoA 。

　　1. 宏觀檢查圖2為雙頭螺栓宏觀形貌及取樣位置，雙頭螺栓在螺紋根部發(fā)生斷裂，如圖2a所示。斷口表面附著有大量的黑色腐蝕產(chǎn)物,斷口較平整，無明顯的塑性變形，如圖2b所示。清洗后的斷面呈典型的疲勞開裂的特點(diǎn)，疲勞源位于螺紋牙底，沿近20°角向螺栓內(nèi)部擴(kuò)展。當(dāng)進(jìn)入擴(kuò)展區(qū)后垂直軸向快速擴(kuò)展，該區(qū)呈放射狀花樣。

　　(a)雙頭螺栓宏觀形貌及取樣位置 (b)原始斷口形貌

　　圖2 雙頭螺栓斷裂宏觀形貌及取樣位置

　　2. 光譜成分分析及硬度檢測經(jīng)過對螺栓光譜成分分析，結(jié)果符合GB/T3077—2015對35CrMoA材料的要求。雙頭螺栓硬度檢測如表1所示。

　　表1 雙頭螺栓硬度檢測 (HV1)

　　3. 金相檢測金相分析樣品軸向截面金相組織及裂紋擴(kuò)展形態(tài)，如圖3所示。樣品位于雙頭螺栓斷裂部位，斷面與軸向約15°;裂紋較平直，無分支;接近最后斷面區(qū)域存在二次裂紋。金相分析樣品軸向截面金相組織及裂紋擴(kuò)展形態(tài)，如圖4所示。螺紋表面由于回火處理形成脫碳層，全脫碳層厚度約31μm，組織為鐵素體;同時(shí)螺紋牙頂發(fā)生磨損，心部組織為回火索氏體。

　　圖3 宏觀形貌

　　(a)

　　(b)

　　圖4 樣品軸向截面金相組織及裂紋擴(kuò)展形態(tài)

　　4. 掃描電鏡斷口形態(tài)觀察整個(gè)斷口原始表面附著有大量腐蝕產(chǎn)物，斷口源區(qū)有疲勞條紋，如圖5、圖6所示。隨著裂紋深入擴(kuò)展，擴(kuò)展速度加快，逐步進(jìn)入擴(kuò)展區(qū)，呈放射狀花樣，由腐蝕疲勞階段進(jìn)入應(yīng)力腐蝕開裂。

　　圖5 斷口低倍形態(tài)

　　(a) (b) (c)

　　圖6 裂紋源區(qū)疲勞紋

　　5. 腐蝕產(chǎn)物的能譜分析圖7為能譜分析圖譜，腐蝕產(chǎn)物中含有大量的S，少量的Cl，如表2所示。可見雙頭螺栓運(yùn)行過程中存在硫化物和氯化物的腐蝕。

　　圖7 能譜分析

　　表2 元素S、Cl能譜分析含量

　　6. 分析討論從上述檢驗(yàn)結(jié)果可知, 斷口處無塑性變形, 斷口起源于螺栓螺紋根部, 并向心部呈放射狀擴(kuò)展。裂紋內(nèi)所夾介質(zhì)含有較多的硫和微量的氯等容易造成腐蝕的有害元素。由此可見，螺栓的斷裂與其工作環(huán)境、螺栓材質(zhì)、基體組織及硬度的不合理以及各種應(yīng)力有直接關(guān)系。斷裂螺栓的服役環(huán)境具備了產(chǎn)生腐蝕疲勞和應(yīng)力腐蝕的全部條件。

　　(1)應(yīng)力因素?fù)Q熱器在裝配時(shí)，螺栓的緊固力使螺栓內(nèi)部沿軸向產(chǎn)生了強(qiáng)大的正向拉應(yīng)力;由于該螺栓材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度比值(屈強(qiáng)比)很高，因此在對螺栓進(jìn)行緊固時(shí)，預(yù)緊力過大很容易產(chǎn)生螺栓齒根的損傷甚至出現(xiàn)微裂紋。

　　而浮頭自身的質(zhì)量，對螺栓也將形成一定的徑向彎曲應(yīng)力;同時(shí)還有在熱處理過程中產(chǎn)生的淬火殘余應(yīng)力;另外，裝置開工后，還要有一定的熱應(yīng)力以及介質(zhì)流動過程產(chǎn)生的脈動和振動也會增加螺栓應(yīng)力的波動。

　　(2)材料因素螺栓的基體組織為索氏體，其基體硬度高達(dá)350~360HV1，遠(yuǎn)大于該種性能等級螺栓的技術(shù)要求。根據(jù)NACE標(biāo)準(zhǔn)RP-04-72(美國腐蝕工程師協(xié)會推薦準(zhǔn)則)和API標(biāo)準(zhǔn)RP-492(美國石油學(xué)會推薦準(zhǔn)則)等標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，在硫化氫介質(zhì)中承受載荷鋼件的硬度必須小于22HRC才可能有效抵抗硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂。而螺栓的這些指標(biāo)都處于H2S應(yīng)力腐蝕斷裂的敏感范圍之內(nèi)。

　　金相檢測同時(shí)發(fā)現(xiàn)螺栓齒紋表面有明顯的脫碳現(xiàn)象，在擰緊螺栓過程中容易造成表面裂紋，形成裂紋源。

　　(3)環(huán)境因素?fù)Q熱器殼程中的原料含有較多的H2S成分，以及水分和其他腐蝕性鹽類介質(zhì)，這些都是使低合金鋼構(gòu)件產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的重要條件。

　　鋼在H2S的水溶液中發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)：陽極反應(yīng)Fe→Fe2++2e二次過程Fe2++S2-→FeS或Fe2++HS-→FeS+H+陰極反應(yīng)2H++2e→2H→H2

　　鋼鐵在H2S的水溶液中，不只是由于陽極反應(yīng)生成FeS而引起一般的腐蝕，而且陰極反應(yīng)生成的氫還能向鋼中滲透并擴(kuò)散，引起鋼的氫脆、氫鼓泡。同時(shí)，也是發(fā)生硫化物應(yīng)力腐蝕的主要原因。

　　介質(zhì)環(huán)境中含有較多的H2S氣體，發(fā)生了硫介質(zhì)和工作應(yīng)力綜合作用引起的腐蝕疲勞或應(yīng)力腐蝕開裂。裂紋中充滿的腐蝕產(chǎn)物，它們的體積會膨脹2～4倍，因此隨著腐蝕不斷進(jìn)行，裂紋內(nèi)的腐蝕產(chǎn)物體積不斷膨脹，也會導(dǎo)致在裂紋尖端產(chǎn)生很大的應(yīng)力，加速裂紋的擴(kuò)展。在齒根處產(chǎn)生裂紋源，并使裂紋不斷向螺栓內(nèi)擴(kuò)展，由腐蝕疲勞直至最后在不斷增加的應(yīng)力作用下，發(fā)生瞬時(shí)斷裂。

　　有人對20鋼、Q345R鋼、321不銹鋼采用慢應(yīng)變速率試驗(yàn)法進(jìn)行研究，介質(zhì)溶液按照NACE Standard TM 0177—1996試驗(yàn)方法(標(biāo)準(zhǔn)H2S環(huán)境中抗特殊形式的環(huán)境開裂材料的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)方法)進(jìn)行配置，溫度為室溫(25℃)。得出的應(yīng)力腐蝕結(jié)果如表3所示。

　　表3 應(yīng)力腐蝕結(jié)果

　　在相同的試驗(yàn)條件下，20鋼、Q345R鋼以及321不銹鋼都存在明顯的應(yīng)力腐蝕傾向，Q345R鋼應(yīng)力腐蝕特性最為明顯，20鋼的應(yīng)力腐蝕特性最小。

　　有人進(jìn)行了3C5rMoA鋼螺栓腐蝕試驗(yàn)，具體的試驗(yàn)情況：試驗(yàn)加載裝置如圖8所示，載荷由應(yīng)變片測量，施加載荷及斷裂時(shí)間如表4所示。

　　表4 施加載荷及斷裂時(shí)間

　　圖8 加載裝置

　　1.固定螺母 2.加載工裝組片 3.應(yīng)變片 4.加載螺母

　　根據(jù)《螺栓在濕H2S環(huán)境中應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)研究》文章的介紹，該文通過試驗(yàn)得到的論結(jié)：

　　(1)35GrMoA鋼在濕H、S環(huán)境中，在應(yīng)力達(dá)到一定值的情況下會發(fā)生應(yīng)力腐蝕。

　　(2)按GB 150—1998規(guī)定，常溫條件下35CrMoA鋼螺栓許用應(yīng)力為210MPa，本次試驗(yàn)研究表明，實(shí)際使用中確實(shí)不超過210MPa，同時(shí)保證材料的調(diào)質(zhì)熱處理后性能符合規(guī)定要求，此條件下該種螺栓具備一定的抗H2S應(yīng)力腐蝕能力，符合安全使用要求。

　　7. 結(jié)語換熱器殼體緊固螺栓的斷裂是腐蝕疲勞逐步發(fā)展為應(yīng)力腐蝕造成的。物料中較高含量的H2S和過高的環(huán)境溫度以及螺栓材質(zhì)的不合理都是致使螺栓發(fā)生斷裂的重要因素。建議如下:

　　(1)選用硬度小于22HRC、塑性高的螺栓, 來提高其抵抗硫化物應(yīng)力腐蝕開裂及脆性斷裂的能力。

　　(2)許多的使用經(jīng)驗(yàn)表明，采用U形管換熱器取代浮頭式換熱器也可以減輕管束的熱膨脹應(yīng)力。

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