產(chǎn)品排料系統(tǒng)閥門螺栓斷裂原因分析

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)已經(jīng)成為世界聚烯烴的第一生產(chǎn)大國(guó)。采用流化床反應(yīng)器進(jìn)行烯烴聚合是其生產(chǎn)的主流工藝，不僅具有簡(jiǎn)單、穩(wěn)定、安全環(huán)保的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還能降低生產(chǎn)成本，受到眾多企業(yè)的應(yīng)用，因此提高產(chǎn)量成為各生產(chǎn)企業(yè)的首要任務(wù)，在產(chǎn)能一定的情況下，減小相關(guān)配套系統(tǒng)的故障率，成為提高產(chǎn)能的另一種途徑[1.2]。某石化公司聚丙烯流化床反應(yīng)器產(chǎn)品排料系統(tǒng)自動(dòng)反吹閥門與上部法蘭壓蓋連接螺栓在運(yùn)行過程中發(fā)生斷裂導(dǎo)致介質(zhì)泄漏，筆者對(duì)斷裂螺栓進(jìn)行宏觀檢查、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能分析、金相分析、掃描電鏡及能譜分析，以分析螺栓的斷裂原因。

1運(yùn)行工況介紹

某石化公司聚丙烯裝置的流化床反應(yīng)器于2022年投用，該反應(yīng)器有兩套產(chǎn)品排料系統(tǒng)，負(fù)責(zé)反應(yīng)器間歇性排料操作。2024年11月，裝置巡檢人員發(fā)現(xiàn)第一套產(chǎn)品排料系統(tǒng)自動(dòng)反吹閥門處發(fā)生介質(zhì)泄漏，該閥門與上部法蘭壓蓋由6根螺栓相連接，其中4根發(fā)生斷裂。該閥門與反應(yīng)器出料口相連，經(jīng)過閥門的混合氣體壓力值為3.2MPa ，溫度 70% 左右，氣體組成含 79% 丙烯、7.9% 丙烷 .0.3% 氫氣 ，12.8% 氮?dú)?，閥門每小時(shí)開關(guān)動(dòng)作16次，現(xiàn)場(chǎng)傾斜安裝，動(dòng)作時(shí)氣缸振動(dòng)大，閥門主體材質(zhì)為CS，其相關(guān)參數(shù)如下：

閥門型式 單氣缸氣動(dòng)切斷球閥閥芯材質(zhì) 316SS閥座材質(zhì) 316SS尺寸3\"（ 1\"=25.4mm 0操作壓力 3.48MPa 最高壓力 3.79MPa

2 試驗(yàn)檢測(cè)與分析

2.1 宏觀檢查

失效螺栓宏觀形貌如圖1所示。可見1#螺栓表面整體呈黑色，存在紅褐色銹蝕，光桿表面有局部機(jī)械損傷；2#螺栓表面整體呈紅褐色，表面銹蝕嚴(yán)重且存在白色垢物；3#螺栓表面形貌與1#螺栓相似，失效螺栓均斷裂于第2個(gè)螺紋位置（自光桿處計(jì)），斷裂面基本和軸向垂直，如圖1a所示。1#螺栓斷口表面呈暗灰色，銹蝕較輕，2#、3#螺栓斷口表面存在較多銹蝕，根據(jù)銹蝕程度判斷，2#螺栓最先斷裂，3#螺栓次之，1#螺栓最晚斷裂；1～3#螺栓斷口均無肉眼可見的塑性變形，呈典型的脆性斷裂特征，且均具有裂紋源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)及瞬斷區(qū)3個(gè)特征區(qū)域，裂紋源區(qū)有較多腐蝕產(chǎn)物，擴(kuò)展區(qū)較平整，如圖1b～d所示。

圖1 失效螺栓宏觀形貌

2.2 化學(xué)成分分析

失效螺栓化學(xué)成分分析結(jié)果列于表1，其化學(xué)成分符合GB/T3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》對(duì)35CrMo材料的要求。

wt%

表1化學(xué)成分分析結(jié)果

2.3 硬度測(cè)定

失效螺栓維氏硬度測(cè)試分析結(jié)果列于表2，可見螺栓近牙頂區(qū)、近牙底區(qū)及螺栓心部區(qū)域硬度接近，平均硬度值范圍為304～309HV。

表2維氏硬度分析結(jié)果（HV10）

2.4 金相組織分析

失效螺栓軸向截面裂紋形貌及金相組織如圖2所示，失效螺栓多處（ ① ， ④ 區(qū)）螺紋存在自牙頂啟裂的裂紋，裂紋相對(duì)平直，分支較少，擴(kuò)展方向基本與牙側(cè)平行；牙頂、牙底及心部金相組織均為回火索氏體 + 少量鐵素體，組織整體較均勻；裂紋兩側(cè)存在白色組織，該處顯微硬度為248HV，較組織正常區(qū)域的硬度值低，推斷裂紋兩側(cè)發(fā)生輕微脫碳。

a.軸向截面金相試樣

b. ① 區(qū)裂紋形貌及金相組織 100×

C. ① 區(qū)裂紋源形貌及金相組織 500×

d.②區(qū)裂紋形貌及金相組織 100×

e. ② 區(qū)裂紋擴(kuò)展形貌及金相組織 500×

f. ③ 區(qū)裂紋形貌及金相組織 100×

g. ③ 區(qū)裂紋尖端形貌及金相組織 500×

h. ④ 區(qū)裂紋形貌及金相組織 100×

i. ④ 區(qū)裂紋源區(qū)形貌及金相組織 500×

j.牙底金相組織 100×

2.5 非金屬夾雜物分析

對(duì)失效螺栓進(jìn)行夾雜物分析，如圖3所示，根據(jù)GB/T10561—2023《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》，其非金屬夾雜物級(jí)別為DT1.5（D類細(xì)系1.5級(jí)），夾雜物主要為氧化物類。

2.6 掃描電鏡及能譜分析

2.6.1 掃描電鏡分析

斷口掃描電鏡微觀形貌如圖4所示，可見裂 紋源區(qū)和擴(kuò)展區(qū)呈現(xiàn)清晰的疲勞輝紋，為典型的 疲勞斷裂斷口形貌。瞬斷區(qū)局部可見韌窩狀形 貌，為塑性斷裂特征。

a.裂紋源區(qū)

圖4斷口掃描電鏡微觀形貌

2.6.2 能譜分析

失效螺栓裂紋源和裂紋縫隙腐蝕產(chǎn)物以及原始斷口表面垢物能譜分析結(jié)果列于表3。裂紋源和裂紋縫隙腐蝕產(chǎn)物以及原始斷口表面垢物均主要以鐵的氧化物為主，裂紋源區(qū)腐蝕產(chǎn)物及原始斷口表面的垢物中還含有Na、AI等雜質(zhì)元素和腐蝕性S、CI元素。

3 分析與討論

綜上分析，螺栓斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂。疲勞斷裂是金屬構(gòu)件中一種常見的失效形式，其斷裂原因與零件的結(jié)構(gòu)形狀、表面狀態(tài)、材料及組織狀態(tài)、裝配及使用環(huán)境等因素有關(guān)[3.4]。

流化床產(chǎn)品排料系統(tǒng)自動(dòng)反吹閥作為循環(huán)氣吹掃閥，由于其工藝技術(shù)的特點(diǎn)和要求，需高頻和快速啟閉，運(yùn)行過程中存在周期性的交變應(yīng)力，易導(dǎo)致連接螺栓松動(dòng)，軸向力下降，殘余預(yù)緊力不足，加劇閥門振動(dòng)，因此連接螺栓承受較頻繁的交變載荷。

失效螺栓宏觀斷口未見明顯的塑性變形特征，微觀斷口分析可見裂紋源區(qū)及瞬斷區(qū)存在大量的疲勞輝紋，呈典型的疲勞斷裂斷口特征。

wt%

表3能譜分析結(jié)果

宏觀檢查和金相分析可見失效螺栓啟裂部位均位于螺紋牙頂，結(jié)合閥門運(yùn)行工況，螺栓與接合面相對(duì)滑動(dòng)，導(dǎo)致螺紋牙頂磨損，表面粗糙度增大，螺紋副配合程度降低，影響螺紋咬合及連接部位密封效果，致使閥門內(nèi)介質(zhì)泄漏，介質(zhì)中的硫化物易對(duì)螺栓造成腐蝕。在磨損和腐蝕的作用下，螺栓局部牙頂成為裂紋源。在交變應(yīng)力的作用下，裂紋不斷擴(kuò)展，最終發(fā)生斷裂。

4結(jié)論及建議

流化床產(chǎn)品排料系統(tǒng)循環(huán)氣吹掃閥失效螺栓斷裂的主要原因?yàn)殚y門頻繁開關(guān)導(dǎo)致螺栓發(fā)生疲勞斷裂，可采取以下措施：

a.加強(qiáng)此類閥門日常巡檢，定期檢查螺栓松緊情況，發(fā)現(xiàn)松動(dòng)及時(shí)緊固；

b.關(guān)注閥門密封及動(dòng)作情況，對(duì)出現(xiàn)異常的 閥門提前切換，更換維修

參考文獻(xiàn)

[1］張雅群，朱佩，熊進(jìn)蘇，等.國(guó)內(nèi)外聚烯烴流化床技術(shù)專利分析[J].化工進(jìn)展，2022，41（10）：5155-5168.

[2]溫小東.聚丙烯裝置PDS閥門故障原因及處理方法[J].今日制造與升級(jí)，2022（11）：113-116.

[3] 陳繼林，張育明，孟一，等.發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋螺栓疲勞斷裂失效分析[J].金屬熱處理，2023，48（2）：308-313.

[4]王海金.工程機(jī)械高強(qiáng)度螺栓的疲勞斷裂分析[J].失效分析與預(yù)防，2024，19（4）：284-289.

（收稿日期：2025-03-27，修回日期：2025-07-14）