高壓螺栓斷裂失效分析

(中國(guó)石油 大連石化公司，遼寧 大連 116011)

某石化公司煤柴油加氫裝置的設(shè)計(jì)壓力為10.0 MPa，設(shè)計(jì)溫度為225 ℃，工作壓力為6.7 MPa，操作溫度為190 ℃，介質(zhì)為蒸汽。該加氫裝置中熱高分吹掃蒸汽線閥門大蓋法蘭上有4個(gè)螺栓，螺栓材質(zhì)均為B7，規(guī)格為M16。該閥門在裝置正常生產(chǎn)時(shí)處于常閉狀態(tài)，只有在裝置停工、系統(tǒng)吹掃時(shí)才開啟使用。由于承受壓力較高，操作條件波動(dòng)比較大，吹掃時(shí)有1個(gè)螺栓突然發(fā)生斷裂[1](圖1)，大量蒸汽泄漏，給裝置的停工處理帶來(lái)了極大風(fēng)險(xiǎn)。

筆者對(duì)斷裂失效的高壓螺栓進(jìn)行各項(xiàng)檢驗(yàn)，以分析斷裂原因和影響因素。

圖1 斷裂螺栓示圖

1 高壓斷裂螺栓檢驗(yàn)

1.1 宏觀檢查

宏觀檢查發(fā)現(xiàn)斷裂螺栓表面附著有黑色產(chǎn)物，質(zhì)地致密，難以清理。螺栓斷裂于螺紋部位，斷口平整，存在金屬顆粒及擴(kuò)展條紋[2]。

1.2 化學(xué)成分分析

根據(jù)GB/T 223—2008《鋼鐵及合金化學(xué)分析方法》[3]對(duì)該斷裂螺栓送檢試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。從表1看出，除Mn元素外，螺栓化學(xué)成分符合ASTM A 193/ A 193M—2005《高溫用不銹鋼和合金鋼螺栓材料》[4]中材料B7的要求。

表1 斷裂螺栓送檢試樣化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

1.3 顯微組織分析

1.3.1非金屬夾雜物

取螺栓縱截面為檢驗(yàn)面，依據(jù)GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定——標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》[5]的規(guī)定進(jìn)行非金屬夾雜物測(cè)定，測(cè)得螺栓非金屬夾雜物級(jí)別為A1.0[5-6]。

1.3.2金相組織

共制作2個(gè)金相組織分析試樣，1#試樣以螺栓橫截面為檢驗(yàn)面，2#試樣以螺栓縱截面為檢驗(yàn)面。依據(jù)GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》[7]的規(guī)定，將試樣機(jī)械拋光，并采用體積分?jǐn)?shù)4%的硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕。

1#試樣的金相組織見圖2，可見螺栓邊緣存在脫碳，金相組織為鐵素體+回火索氏體[8]。螺栓芯部金相組織為回火馬氏體。

圖2 1#試樣金相組織

2#試樣腐蝕前后螺紋頂部裂紋金相組織見圖3，不同部位金相組織見圖4。

圖3 腐蝕前后2#試樣螺紋頂部裂紋金相組織

圖4 2#試樣不同部位金相組織(200×)

從圖3和圖4可以看出，2#試樣螺紋頂部的金相組織為鐵素體+回火索氏體，存在著裂紋以及脫碳層，裂紋的長(zhǎng)度大約為500 μm，裂紋沿晶擴(kuò)展，脫碳層厚度大約為453 μm。螺紋底部的金相組織為回火索氏體+鐵素體。螺紋面的金相組織為回火索氏體。

1.4 硬度測(cè)定

依據(jù)GB/T 4340.1—2009《金屬材料維氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》[9]的規(guī)定，對(duì)失效螺栓螺紋、芯部分別取樣進(jìn)行硬度測(cè)定，測(cè)得螺紋硬度為39.9、35.6、45.1 HRC，芯部硬度為51.4、53.3、54.3 HRC，螺栓硬度值均高于文獻(xiàn)[4]中材料B7硬度不大于35 HRC的要求。

1.5 斷口形貌分析

將失效螺栓進(jìn)行超聲波清洗，螺栓斷面露出金屬基體，斷口平整，無(wú)明顯塑性變形，呈脆性斷裂特征[10]，螺栓啟裂于螺紋部位(圖5)。

采用掃描電鏡對(duì)螺栓斷口不同區(qū)域表面垢物進(jìn)行微觀形貌觀察，螺栓A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)均呈準(zhǔn)解理特征[11]，其中B區(qū)韌窩較多(圖6)。斷裂起源于螺紋表面，呈沿晶+韌窩擴(kuò)展，最終斷裂部位為螺栓芯部，呈韌窩特征。

圖5 螺栓斷口宏觀形貌

圖6 螺栓斷口表面垢物形貌

2 高壓螺栓斷裂原因

螺栓加工次序不合理和熱處理不當(dāng)是導(dǎo)致螺栓開裂的原因。

一般對(duì)螺栓是先進(jìn)行成型處理，然后再進(jìn)行熱處理。而在熱處理過(guò)程中，有時(shí)會(huì)從熱處理爐外帶進(jìn)一些氧化氣體，另外棒料上的鐵銹或者冷拔之后原料表面的殘留物在入爐之前未進(jìn)行有效的清理，加熱后也會(huì)分解，反應(yīng)生成一些氧化性氣體，導(dǎo)致螺紋表面金屬脫碳，形成鐵素體[12-14]。而熱處理的回火溫度偏低，會(huì)在螺栓芯部形成回火馬氏體組織[15-19]，造成螺栓芯部硬度偏高，在承受較大應(yīng)力時(shí)螺栓容易發(fā)生斷裂。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)煤柴油加氫裝置中熱高分吹掃蒸汽線閥門大蓋法蘭螺栓在吹掃時(shí)發(fā)生斷裂的原因進(jìn)行了分析，認(rèn)為螺栓加工次序不合理和熱處理不當(dāng)是導(dǎo)致螺栓斷裂的原因。

建議對(duì)高強(qiáng)度緊固螺栓按照上料-清理-加熱-淬火-清理-回火-檢驗(yàn)的順序進(jìn)行加工，在熱處理過(guò)程中應(yīng)使用帶有保護(hù)氣氛的連續(xù)式熱處理生產(chǎn)設(shè)備，該類設(shè)備密封性能好，可自動(dòng)控制氣氛、溫度和工藝參數(shù)，能夠有效保證熱處理質(zhì)量。此外，對(duì)生產(chǎn)好的成品應(yīng)按批次進(jìn)行抽查檢驗(yàn)，保證螺栓產(chǎn)品出廠質(zhì)量。

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