濕硫化氫環(huán)境下小浮頭螺栓失效原因分析

趙 軍

(中國石化上海石油化工股份有限公司煉油部，上海 200540)

中國石化上海石油化工股份有限公司煉油部4#煉油2#延遲焦化裝置穩(wěn)定塔頂冷卻器E-9210C為鉤圈式浮頭換熱器，型號為BES1200-4.0-383-6/25-4I，殼程介質(zhì)為液化氣，管程介質(zhì)為循環(huán)水。E-9210C于2009年投用，在2017年11月26日和2018年12月8日對該設(shè)備進(jìn)行檢修時(shí)，發(fā)現(xiàn)20根M27 mm×335 mm小浮頭螺栓斷裂，斷裂部位既有在兩端螺紋處，也有在中部螺桿處。文章通過多種手段對螺栓斷裂的原因進(jìn)行分析，并提出在此工況條件下避免螺栓斷裂的措施。

1 工藝參數(shù)與宏觀分析

冷卻器E-9210C的主要工藝參數(shù)見表1所示。

表1 E-9210C主要工藝參數(shù)

對斷裂部位在螺桿中部的螺栓取樣并做失效分析，其宏觀形貌見圖1所示。整根螺栓表面銹蝕，兩側(cè)螺紋部位均有較多的腐蝕垢物覆蓋，螺紋凹槽局部被垢物填滿，兩端螺紋和中間螺柱都存在不同程度的表面腐蝕。

圖2為螺栓斷口的宏觀形貌。整個(gè)斷口基本垂直于螺栓軸向，表面被黑色和棕黃色的腐蝕產(chǎn)物覆蓋，斷口沒有明顯的塑性變形，呈脆性斷裂特征。裂紋起裂于螺栓表面，呈放射狀快速擴(kuò)展而斷裂。放射線的匯集處為裂紋起裂源(圖2下部)，整個(gè)斷口中部為裂紋擴(kuò)展區(qū)，上部為最終撕裂區(qū)。

(a)螺栓斷裂全貌 (b)螺栓一側(cè)螺紋部位

(c)螺栓另一側(cè)螺紋部位

圖2 斷口宏觀形貌

2 材料化學(xué)成分與金相組織分析

本次發(fā)生斷裂的螺栓材料牌號為35CrMoA，對發(fā)生斷裂的螺栓材料進(jìn)行化學(xué)成分分析(見表2)。

表2 螺栓材料化學(xué)成分分析

對斷口附近的螺栓材料進(jìn)行了金相組織分析(見圖3)。1#金相試樣為斷口附近橫截面，見圖3(a)；拋光態(tài)組織可以看到1條主斷面擴(kuò)展過來的二次裂紋，呈分叉擴(kuò)展，為典型的應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展形貌，見圖3(b)和圖3(c)；硝酸酒精溶液浸蝕后組織為回火索氏體+鐵素體，為35CrMoA鋼的淬火回火組織，見圖3(d)。

(a)1#金相試樣(斷口附件橫截面)(b)1#試樣裂紋形貌1(拋光態(tài))

(c)1#試樣裂紋形貌2(拋光態(tài)) (d)1#試樣金相組織(500×)

2#金相試樣為斷口附近縱截面，見圖4(a)；同1#金相試樣，拋光態(tài)組織可以看到斷口處二次裂紋形貌同樣為分叉擴(kuò)展，為典型應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展形貌，見圖4(b)和圖4(c)；硝酸酒精溶液浸蝕后組織也為回火索氏體+鐵素體。

材料中的夾雜物按照GB/T 10561―2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗(yàn)法》評級，主要為D類環(huán)狀氧化物類夾雜物，2級(見圖5)。

(a)斷口附件橫截面 (b)2#試樣裂紋形貌1

(c)2#試樣裂紋形貌2

(a)1#試樣 (b)2#試樣

3 斷口微觀形貌分析與硬度檢測

分析斷口起裂部位的顯微鏡下微觀形貌，起裂部位受外壁腐蝕坑以及內(nèi)部夾雜物的雙重作用，可以看到起裂源處向外擴(kuò)展的放射狀條紋，見圖6(a)和圖6(b)，同時(shí)該區(qū)域被大量腐蝕產(chǎn)物所覆蓋，見圖6(c)和圖6(d)。

(a)30× (b)30×

(c)150× (d)1 000×

斷口上的二次裂紋及斷口擴(kuò)展區(qū)的微觀形貌顯示斷口被大量泥狀腐蝕產(chǎn)物所覆蓋(見圖7)。

斷口最終撕裂區(qū)的微觀形貌同樣可以看到大量泥狀腐蝕產(chǎn)物，右側(cè)邊緣可以看到少量韌窩形貌(見圖8)。

(a)二次裂紋，30× (b)擴(kuò)展區(qū)，300×

(a)300× (b)500×

對斷口起裂區(qū)、擴(kuò)展區(qū)和最終撕裂區(qū)的腐蝕產(chǎn)物分別進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見表3～5。

表3 斷口起裂區(qū)腐蝕產(chǎn)物元素分析結(jié)果

表4 斷口擴(kuò)展區(qū)腐蝕產(chǎn)物元素分析結(jié)果

表5 斷口最終撕裂區(qū)腐蝕產(chǎn)物元素分析結(jié)果

這3個(gè)部位腐蝕產(chǎn)物中可引起腐蝕的有害元素硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為8.05%、29.88%和29.57%。硫主要來源于殼程介質(zhì)液化氣中的硫化氫，2017年11月26日的液化氣成分分析結(jié)果顯示硫化氫體積分?jǐn)?shù)為5.43%，2018年12月8日的液化氣成分分析結(jié)果顯示硫化氫體積分?jǐn)?shù)為9.49%。

在斷裂螺栓上靠近斷口處取橫截面樣品，將兩端磨平后，按GB/T 230―2009《金屬材料洛氏硬度試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)，使用洛氏硬度計(jì)，測定螺栓的洛氏硬度值。螺栓材料接近外壁部位硬度值在HRC 31(HB 295)左右，中間部位硬度值在HRC 28(HB 273)左右，均高于GB/T 3077―1999《合金結(jié)構(gòu)鋼》中35CrMoA鋼供貨的硬度要求HB≤229(HRC 21)(鋼材退火或高溫回火供應(yīng)狀態(tài)的布氏硬度)；最高硬度也高于HG/T 20613―2009《鋼制管法蘭用緊固件》標(biāo)準(zhǔn)中表4.04的要求(HB 234～285)；但是符合GB/T 3098.1―2000《緊固件機(jī)械性能 螺栓、螺釘和螺柱》標(biāo)準(zhǔn)中8.8級螺栓硬度值HRC 23～34范圍要求[1-2]。

4 螺栓斷裂原因分析

從螺栓斷口宏觀形貌和微觀形貌分析判斷，螺栓斷裂是脆性斷裂，且斷面上有裂紋分叉現(xiàn)象，符合應(yīng)力腐蝕斷裂的特征。

由于該螺栓工作時(shí)本身承受一定的拉應(yīng)力，所處的環(huán)境介質(zhì)中含有硫化氫和水存在，也就是處在一定程度的濕硫化氫環(huán)境中，加上有適宜的溫度(殼程溫度40～50 ℃)，螺栓本身還具備較高的硬度(最高硬度HRC大于30)和強(qiáng)度，使這些螺栓對濕硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂的敏感性相應(yīng)增大。螺桿外部腐蝕坑部位存在應(yīng)力集中，再加上材料中存在夾雜物，因此在齒根部位和腐蝕凹坑處容易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋的起裂，并最終導(dǎo)致螺栓的斷裂。

另外，在換熱器內(nèi)部不可避免地存在一些流體滯留區(qū)，如內(nèi)浮頭處于換熱器尾部，此處介質(zhì)的流動(dòng)性差，許多雜質(zhì)會覆蓋在金屬表面(斷裂螺栓的螺紋部位有大量腐蝕垢物堆積覆蓋)，經(jīng)過一段時(shí)間積累，此處介質(zhì)的pH會逐漸降低，當(dāng)金屬表面有缺陷時(shí)，容易產(chǎn)生表面腐蝕坑，這些腐蝕坑就形成了應(yīng)力腐蝕破裂的初始裂紋源。

在NACE標(biāo)準(zhǔn)RP-04-72和API標(biāo)準(zhǔn)RP-492中規(guī)定，濕硫化氫介質(zhì)中承受載荷的鋼件硬度值必須小于HRC 22，才能有效抵抗硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂。從螺栓斷口特征、受力狀況、工作環(huán)境和對螺栓測定的硬度值分析得出本次E-9210C小浮頭螺栓發(fā)生斷裂是由硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂造成的[3-4]。應(yīng)力腐蝕開裂時(shí)間不固定，在特定環(huán)境下，材料在幾分鐘內(nèi)就可能破裂。

5 結(jié)論與對策

(1)螺栓材料金相組織為回火索氏體+鐵素體，35CrMoA鋼正常的淬火回火組織，材料中夾雜物按照GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗(yàn)法》評級為D類2級。

(2)根據(jù)螺栓斷口宏觀形貌以及微觀形貌分析，以及E-9210C的工藝介質(zhì)，可以確認(rèn)螺栓斷裂失效是由于濕硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂造成的。螺栓本身較高的硬度(最高硬度HRC大于30)，使這些螺栓對濕硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂的敏感性相應(yīng)增大，腐蝕凹坑部位存在應(yīng)力集中，再加上螺栓材料中存在夾雜物，因此在腐蝕凹坑部位產(chǎn)生了應(yīng)力腐蝕裂紋的起裂，并最終導(dǎo)致了螺栓的斷裂。

(3)在濕硫化氫環(huán)境下，承受的預(yù)緊力滿足使用要求時(shí)，可以選取強(qiáng)度、硬度(材質(zhì)硬度應(yīng)小于HRC 22)相對較低的金屬材料制造螺栓。

(4)增大螺栓直徑，降低其所承受的拉應(yīng)力，并確保所有螺栓受力均勻。

(5)控制螺栓的預(yù)緊扭矩，把好安裝關(guān)，防止預(yù)緊力過大，尤其在腐蝕性介質(zhì)中的設(shè)備。