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    40Cr浮头螺栓断裂原因分析

    时间:2022-12-10 11:20:05 来源:柠檬阅读网 本文已影响 柠檬阅读网手机站

    汤鹏杰 , 侍 界 , 王晓霞

    (南京金创有色金属科技发展有限公司,南京 211178)

    在湿硫化氢环境下服役的设备容易发生腐蚀开裂,一类是与应力无关的氢鼓泡(HB)和氢致开裂(HIC),另一类则是硫化物导致的应力腐蚀开裂(SSCC)和应力导向氢致开裂(SOHIC)[1]。SSCC是破坏性和危害性最大的一种腐蚀形式,该现象最早是在含S的油、气等生产环境中发现的。据报道,20世纪40年代末,美国和法国在开发含H2S的酸性油气田时,发生了大量与H2S有关的腐蚀失效事故。90年代初,美国石油学会(API)和腐蚀工程师协会(NACE)对长期在湿硫化氢环境服役的压力容器进行了数次检验,发现约25%的受检容器都存在腐蚀裂纹。我国“九五”攻关课题《在役重要压力容器使用情况调查分析》对中石化集团下属35家企业总计54 346台压力容器进行了检验,发现相当一部分容器发生了腐蚀或应力腐蚀失效,占失效容器总数的70%以上,其中由硫化物引起的腐蚀尤为严重[2-3]。

    氨精馏装置浮头式换热器紧固螺栓使用不到2 a时发生断裂,导致换热器出现内漏。该换热器壳程进口压力为1.47 MPa,出口压力为1.60 MPa,进口温度为158 ℃,出口温度为177.7 ℃,介质为氨水(含H2S)。管程进口压力为1.00 MPa,出口压力为1.35 MPa,进口温度为280 ℃,出口温度为184 ℃,介质为1.00 MPa蒸汽。螺栓材质为40Cr,规格为M36 mm×340 mm,要求进行调质处理。浮头式换热器的管束两端管板有一端不与壳体相连,沿管长方向可自由浮动。紧固螺栓在工作过程中主要承受拉应力作用。浮头结构及螺栓受力示意图见图1。本研究通过理化检验确定螺栓的断裂机制,分析断裂原因并提出改进意见,对氨精馏装置安全、稳定运行具有积极意义。

    图1 换热器浮头结构及螺栓受力示意Fig.1 Schematic diagram of floating head structure of heat exchanger and force on bolt

    1.1 宏观观察

    失效螺栓宏观形貌如图2所示。螺栓断裂于中部光杆部位,无明显宏观塑性变形。两端牙槽内可见黑色腐蚀物,不易脱落。光杆部位覆有白色结晶状物质,应为换热器内漏后壳程介质和管程介质混合浓缩所形成。在断口侧面可见多条二次裂纹(图2箭头处),呈撕裂状,推测螺栓开裂起源于外壁,断裂并非单一裂纹扩展所致。

    图2 断裂螺栓外观形貌Fig.2 Appearance of broken bolt

    1.2 化学成分分析

    在螺栓头部取样进行化学成分分析,结果见表1。由表1可知,螺栓材质合格,化学成分符合GB/T 3077—2015对40Cr的要求。

    表1 化学成分(质量分数 /%)Table 1 Chemical composition (mass fraction /%)

    1.3 硬度测试

    在断口下侧垂直于轴线处取样,对螺栓横截面进行硬度测试,测试分布及结果见图3、表2。结果表明,螺栓外表面硬度较高,最高值达HRC 27.1;
    心部硬度略有下降,最低值为HRC 23.2。螺栓的整体硬度值明显高于GB/T 3077—2015对40Cr合金钢的技术要求(HRC 20.7)。

    表2 硬度测试结果Table 2 Results of hardness test

    图3 硬度测试分布图Fig.3 Hardness test point distribution

    1.4 金相检验

    垂直于断口将螺栓沿轴线剖开,采用光学金相显微镜观察断口附近纵截面的显微组织,结果如图4所示。螺栓显微组织为保持马氏体位向的回火索氏体,索氏体上分布小颗粒状渗碳体,铁素体沿原奥氏体晶界网状析出。对比金相图谱可知,断裂螺栓显微组织与40Cr正常调质组织有差异,这与调质处理的温度和保温时间有关[4]。

    图4 断裂螺栓显微组织Fig.4 Microstructure of broken bolt

    在断口附近可见较多呈树枝状分叉形貌的裂纹,该裂纹尖端尖锐,符合应力腐蚀开裂的特征(图5a)。除断口外,在螺栓外壁也发现树枝状裂纹,主裂纹方向与螺栓轴线垂直。从裂纹位置和扩展形态判断,螺栓开裂应起源于外壁,且断面并非螺栓唯一开裂源(图5b)。在断口下侧,树枝状裂纹附近可见若干阶梯状裂纹,局部已与树枝分叉连接交汇,具有氢致裂纹特征(图5c),说明螺栓发生应力腐蚀开裂的同时,也产生由氢扩散导致的氢致裂纹。

    图5 断口纵截面裂纹Fig.5 Cracks in longitudinal section of fracture

    腐蚀后的试样不同部位裂纹微观形貌如图6所示。裂纹扩展主要以穿晶为主,局部位置可见沿晶开裂特征。

    图6 裂纹微观形貌Fig.6 Microscopic appearance of cracks

    1.5 断口分析

    图7为螺栓断口宏观形貌,可见断口表面较为平整,无明显宏观塑性变形,为脆性断裂特征。在扫描电镜下观察断口微观形貌,微观断口呈现龟裂的泥纹花样,表面可见较多二次裂纹,可见台阶状解理纹路(图8)。对图7中 A、B区域的断口表面腐蚀产物进行化学成分分析,结果见表3。可知腐蚀产物以铁的氧化物为主,含有较高的S元素,说明螺栓断裂与环境介质中的H2S有关。

    图7 宏观断口形貌Fig.7 Macroscopic morphology of fracture

    图8 微观断口形貌Fig.8 Microscopic morphology of fracture

    表3 断口腐蚀产物的成分分析(质量分数 /%)Table 3 Composition analysis of fracture corrosion products (mass fraction /%)

    经检验,螺栓的化学成分符合标准GB/T 3077—2015对40Cr的要求。文献[3]表明,在含有H2S的水环境中,当H2S分压≥355 Pa,相当于水中H2S溶解度≥10-6时,即可定义为湿硫化氢环境。从换热器结构和运行工况来看,浮头处于换热器尾部,工作时会与壳程介质(含H2S的氨水)接触,螺栓实际处于湿硫化氢环境。通过金相检验,在螺栓断面附近和一侧外壁发现树枝状裂纹,主裂纹方向大致与轴向拉应力方向垂直,其形貌符合应力腐蚀裂纹。在断面下侧,沿着分叉裂纹观察,可见若干细小的阶梯状裂纹,其形貌特征符合氢致裂纹。从断口宏观形貌判断,螺栓断裂属于脆性断裂。微观断口上可见泥纹花样和台阶状解理纹路,为脆性断裂的微观特征。通过能谱测试,发现断口腐蚀产物中含有较高的S元素,说明螺栓断裂与环境介质中的H2S有关。综合上述分析认为,该浮头螺栓发生湿硫化氢应力腐蚀和氢致开裂。

    2.1 湿硫化氢应力腐蚀

    文献[5-6]显示,显微组织对硫化氢应力腐蚀敏感性递增的顺序是:铁素体中含球状碳化物组织→完全淬火+回火组织→正火+回火组织→正火组织+淬火后未回火的网状马氏体或贝氏体组织。淬火马氏体对硫化氢应力腐蚀敏感性最强,这是因为淬火马氏体内部存在高密度的位错,位错是氢聚集的场所和扩散通道。40Cr正常调质后的组织为回火索氏体组织,而断裂螺栓的显微组织为保持马氏体位向的回火索氏体和网状铁素体。从显微组织来看,螺栓对硫化氢应力腐蚀具有较强的敏感性。

    RP-04-72和RP-492中规定,在湿硫化氢环境中承受拉伸载荷的钢件硬度值必须小于HRC 22才能有效抵抗硫化氢应力腐蚀开裂。从硬度测试结果来看,断裂螺栓截面硬度值高于HRC 22,导致材料抵抗硫化氢应力腐蚀能力不足。

    硫化氢应力腐蚀敏感性与渗透到钢材中的氢含量有关,主要和H2S含量和pH值这2个环境因素有关[6]。文献[7-8]显示,在应力一定的情况下,硬度值相同时,H2S含量越高,材料越易发生应力腐蚀开裂。通常在pH≥6时,只有在有害杂质作用下才可能发生应力腐蚀抗开裂;
    当pH值<<6时,应力腐蚀开裂的可能性增大。说明浮头螺栓断裂与壳程介质H2S含量和pH值有关。

    2.2 氢致开裂

    钢在H2S水溶液中会发生电化学反应[9]:

    H2S 电离:H2S→ H++ HS-, HS-→H++ S2-

    阳极反应:Fe→Fe2++2e-

    二次过程:Fe2++S2-→FeS或Fe2++HS-→FeS+H+

    阴极反应:2H++2e-→2H→H2

    由于H原子直径比金属原子小得多,阴极反应生成的H会向钢中渗透并扩散,在空位、位错或晶界等缺陷处聚集,复合成H2,产生氢压。基于氢扩散原理可知,H原子会在应力梯度驱动下向高应力方向扩散,使非均匀的化学势达到平衡[10],因此,螺栓承受的轴向拉应力促进了H在钢中的扩散,当产生的氢压等于原子键合力时,局部原子键断裂形成微裂纹。在拉应力作用下,裂纹尖端产生应力集中,诱导H不断向裂纹尖端聚集,当氢压超过临界值,裂纹向前扩展,扩展后裂纹尖端再次产生H聚集,如此循环,裂纹持续向前扩展,并与应力腐蚀裂纹连接交汇,加速材料脆化开裂[11-12]。

    综上所述,该浮头螺栓长期在湿硫化氢环境中服役,由于调质处理不当,材料显微组织为保持马氏体位向的回火索氏体和网状铁素体,硬度值高于HRC 22,导致材料抵抗H2S应力腐蚀能力不足。当壳程介质中H2S含量达到临界值,在拉应力作用下发生湿硫化氢应力腐蚀,裂纹由螺栓外壁起,沿着垂直于拉应力方向扩展。与此同时,拉应力促进H扩散的发生,产生氢致裂纹,加速材料脆化开裂,最终导致螺栓断裂失效。

    1)该浮头螺栓断裂性质为脆性断裂,断裂机制为湿硫化氢应力腐蚀和氢致开裂。

    2)由于调质处理不当,螺栓显微组织为保持马氏体位向的回火索氏体,铁素体沿原奥氏体晶界网状析出,硬度值偏高,导致材料抵抗硫化物应力腐蚀能力不足。长期在湿硫化氢环境中服役,在拉应力作用下,发生湿硫化氢应力腐蚀和氢致开裂,导致螺栓断裂失效。

    3)合理选择螺栓材质,在满足强度要求的同时,选用硬度值小于HRC 22的螺栓,以提高其抵抗硫化氢物应力腐蚀的能力。螺栓紧固时,应严格控制预紧力大小。换热器运行时要控制壳程介质中的H2S含量,避免pH值过低。

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