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换热器紧固螺栓的应力腐蚀断裂分析点击：1710 日期：[ 2014-04-26 22:21:13 ] |
| 换热器紧固螺栓的应力腐蚀断裂分析 1.由向群 2.杜洪建 1.谷志刚 （１．辽宁工学院材料与化学工程学院，锦州１２１００１； ２．锦州石化公司，锦州１２１００１） 摘要：紧固螺栓服役２年后发生成批断裂。采用宏观观察、化学成分分析、金相检验和扫描电镜与能谱分析等方法对失效螺栓进行了分析。结果表明，由于紧固螺栓长期浸在含有犎２犛介质的油料中，并在所承受的各种应力下又与腐蚀环境相互作用便产生了应力腐蚀，加上螺栓材质选用不当和硬度、显微组织不合理等其他因素，最终导致螺栓断裂。 关键词：螺栓；断裂失效；断口；应力腐蚀 中图分类号：犜犈９６５ 文献标识码：A 文章编号：１００１４０１２（２００７）０１００４００３ 某炼油厂在对生产设备进行大修时，发现１台换热器中内浮头上的紧固螺栓有６件发生相同形式的断裂。该换热器壳体中的内浮头是靠３０个等距离分布在法兰上的双头螺栓与管板紧固在一起。换热器壳程中充满流动的原料油，据厂方提供的化验结果，油中含有０．３３％的硫以及微量氯和其他盐类物质，还含有水分，总酸值（犓犗犎）为３．５犿犵／犵，硫主要以犎２犛的形式存在。壳程中的油料温度在２００～２４０℃左右，管程与壳程中的压力＜５．０犕犘犪。螺栓全部浸泡于壳程油料介质中。该换热器内浮头紧固螺栓的服役时间已近２年，其中断裂的６件螺栓皆分布在内浮头的下方位置。技术要求螺栓材质应为２５犆狉犕狅钢。螺栓尺寸为Φ３０mm×４００mm。为查明螺栓的断裂原因，对断裂螺栓进行了失效分析。 １ 检验方法及结果 １．１ 宏观检验 该批螺栓的断裂皆发生在中部的无螺纹光杆处，断口垂直于螺栓的轴线，断面稍有倾斜，无塑性变形痕迹。断口一侧有明显的裂源痕迹，而另一侧皆有较高的剪切唇（约２～６犿犿高不等）。断口表面皆已沉积了大量的棕褐色的氧化物和腐蚀介质。图１为其中１件螺栓清洗后断口的形貌（图中箭头所指是裂纹和裂纹源）。由图１犪可见，螺栓光杆表面分布着数条大小不一、与轴线成一定角度的裂纹和密集的腐蚀坑。由图１犫可见，裂源形成于螺栓的外表面。在整个断裂面上，裂纹由裂源向内部呈放射状扩展，使断口明显的分为裂纹源区、扩展区和瞬断区三部分，扩展区有许多明显的二次裂纹，瞬断区为切断，断口呈脆断特征。 １．２ 化学成分 在失效螺栓上取样进行化学成分分析，并与相关钢号标准进行对照，结果（质量分数）见表１。化学分析结果表明，失效螺栓的化学成分不符合２５犆狉犕狅钢标准值，而符合４０犆狉钢的标准值，因此确认制造螺栓用的是４０犆狉钢。 １．３ 硬度测试 在失效螺栓断口处和完好的端部分别取样进行洛氏硬度检验，其结果完全相同，平均硬度均为４４．０犎犚犆，且螺栓的心部和表面硬度也均匀一致。 １．４ 金相检验 在失效螺栓的断口处和完好的端部分别取金相试样，光学显微镜下观察，断口附近存在多条一次裂纹，这些裂纹均起源于螺杆表面的蚀坑底部，裂纹较窄且无分枝，裂纹内充满腐蚀介质并呈沿晶状向螺杆内部扩展（见图２）。螺栓各部位均为粗大的回火屈氏体（见图３）。 １．５ 扫描电镜及能谱分析 失效螺栓断口样品经扫描电镜分析，断口大部分呈明显的结晶状，也有少量区域呈泥状花样，断口表面有二次裂纹，见图４。对断口附近裂纹中的物质进行了点扫描能谱分析，结果证明，裂纹内部充满的灰色物质中含有氧、硅、硫以及铝、钙、钠、镁、氯等元素，表明腐蚀介质中除有大量铁的氧化物外,还有较多的硫化氢和各种盐类物质. ２ 结果与分析 从上述检验结果可知，断口处存在的大量宏观裂纹均产生于螺栓表面的蚀坑及缺陷底部，并向心部呈放射状扩展。断口处无塑性变形，其显微形貌呈结晶状和泥状，裂纹由螺栓表面的腐蚀坑底萌生沿晶界向内扩展，具有应力腐蚀的形貌特征。裂纹内所夹介质含有较多的硫和微量的氯等容易造成腐蚀的有害元素。化学成分检验证明，螺栓用钢并不是技术要求的２５犆狉犕狅钢，而是４０犆狉钢。螺栓的基体组织是韧性较低的回火屈氏体，其基体硬度高达４４．０犎犚犆，远大于该种性能等级螺栓的技术要求（≤２２犎犚犆）［１］。 结合上述各项检验结果和螺栓的工作环境条件，笔者认为，螺栓的断裂与其工作环境、螺栓材质、基体组织及硬度的不合理有直接关系。现场调查和有关技术分析证明，６件断裂螺栓的服役环境具备了产生应力腐蚀的全部条件。①应力因素：换热器在装配时，螺栓对浮头与管板之间所形成的紧固压力使螺栓内部沿轴向产生了强大的正向拉应力；而浮头自身的质量，对其分布在下方位置的壳体螺栓也将形成一定的径向弯曲应力；同时还有在热处理过程中产生的淬火残余应力，因此失效螺栓处于复杂的复合应力状态。②材料因素：螺栓所用材质不当，其中的碳含量过高，其显微组织是硬度较高的回火屈氏体，这些都将增加钢构件的应力腐蚀敏感性［２］。③环境因素：换热器壳程中的原料油含有较多的犎２犛成分、以及水分和其他腐蚀性盐类介质，且壳程介质工作温度过高（２２０～２４０℃），这些都是使低合金钢构件产生应力腐蚀的重要条件［３］。 当螺栓浸泡在油料中，在油料中腐蚀介质的作用下，首先在螺栓表面形成大量的点蚀坑，而后在复合应力和介质中的犎２犛共同作用下，在某些较尖锐的蚀坑底部尖角处产生裂纹源，由于螺栓的硬度过高和显微组织不合理，致使裂纹不断向螺栓内扩展，最后在拉、弯应力的复合作用下，发生瞬时切断断裂。 ３ 结论 换热器壳体紧固螺栓的断裂是应力腐蚀造成的。油料中较高含量的犎２犛和过高的环境温度以及螺栓基体化学成分、显微组织及硬度的不合理都是致使螺栓发生应力腐蚀的重要因素。 参考文献： ［１］ 犌犅／犜３０９８．１－２０００，螺栓，螺钉和螺柱机械与物理性能［犛］． ［２］ 卢绮敏．石油工业中的腐蚀与防护［犕］．北京：化学工业出版社，２００１：１１１－１１４． ［３］ 姚红宇．腐蚀环境下失效的失效分析［犑］．理化检验物理分册，２００５，４１（１１）：５９０－５９３． |
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