浮頭式換熱器連接螺栓失效分析

姜 勇，葛志強，陳佳棟，鞏建鳴

（南京工業(yè)大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院，南京210009）

某廠浮頭式換熱器內(nèi)連接螺栓在使用不到半年即發(fā)生大量斷裂，造成介質(zhì)泄漏，嚴(yán)重影響生產(chǎn)安全。該換熱器管程介質(zhì)為循環(huán)水，工作溫度40℃，壓力0.5MPa；殼程介質(zhì)為經(jīng)軟化處理的急冷水，工作溫度80℃，壓力0.5MPa，急冷水中含有H2S和CO2，濃度不詳。浮頭緊固螺栓的材料是1Cr18Ni9（相當(dāng)于ASTM302）不銹鋼。為了查明緊固螺栓斷裂原因，選取兩根進(jìn)行分析。

1 理化檢驗及結(jié)果

1.1 宏觀斷口特征

失效螺栓宏觀特征如圖1，斷裂位于螺栓中部光滑部分，呈脆性斷裂特征，1號螺栓主裂紋方向與軸線垂直，2號螺栓主裂紋方向與軸線方向約成45°夾角。2根螺栓斷口表面平整，表面覆蓋鐵銹紅色和黑色腐蝕產(chǎn)物。根據(jù)斷口紋路走向確定螺栓斷裂是從外表面起裂，向內(nèi)擴展，直至斷裂（圖1）。

圖1 斷裂螺栓斷口宏觀形貌Fig.1 Macro-morphology of fracture bolts

1.2 化學(xué)成分分析

化學(xué)成分分析結(jié)果表明（表1），鉻含量低于標(biāo)準(zhǔn)要求。奧氏體不銹鋼中鉻元素是保證不銹鋼具有優(yōu)良的耐蝕性的主要元素［1］，它通過形成致密的Cr2O3鈍化膜隔絕腐蝕介質(zhì)，保護(hù)作用，鉻元素含量偏低，將大大降低材料的耐腐蝕性能。

表1 螺栓材料的化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of the bolt %

1.3 金相分析

沿軸線方向切取試樣，為更好觀察裂紋的走向，僅對金相試樣進(jìn)行輕度侵蝕。結(jié)果表明，斷口附近密布二次裂紋，裂紋沿晶擴展，見圖2（a），（b）。螺栓材料組織發(fā)生嚴(yán)重敏化，晶界可見大量碳化物析出，螺栓芯部除了存在敏化以外，還可見大量聚集態(tài)析出相，見圖2（c），說明該材料不但在固溶處理時溫度偏低［2］，而且時間偏短，碳化物未充分溶解，導(dǎo)致基體合金化程度差，不能充分發(fā)揮材料的潛在性能。

圖2 螺栓微觀組織Fig.2 Metallographic structure of bolt（a） crack morphology near the outer surface（b） metallographic structure of the fracture surface near outer surface（c） metallographic structure of the center

1.4 螺栓微觀硬度測量

在斷口附近垂直于軸線取樣，進(jìn)行整個螺栓截面的微觀硬度分析，檢測位置見圖3，測量結(jié)果見表2。由硬度值的比較可知，螺栓邊緣起裂部位的硬度最高（①點和②點），達(dá)到350HV，往芯部硬度略有下降，芯部硬度值有所上升。螺栓的整體硬度值明顯高于奧氏體不銹鋼規(guī)定值。硬度越高，材料應(yīng)力腐蝕開裂敏感性越強，越容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂，這是起裂位置在①，②點附近的原因［3］。

圖3 微觀硬度測量分布圖Fig.3 Microhardness test point distribution

表2 螺栓材料硬度測試結(jié)果Tab.2 The hardness of bolt material HV

1.5 電鏡（SEM）分析

斷口宏觀形貌如圖4所示，由圖4未見塑性變形，表現(xiàn)出宏觀脆斷特征。螺栓起裂點位于螺栓的外表面向芯部擴展，直至最終斷裂，終斷區(qū)表現(xiàn)為剪切唇特征，見圖4右上角。

圖4 螺栓斷口宏觀形貌Fig.4 Macro-morphology of the fracture surfacet

對斷口形貌進(jìn)一步放大（圖5），啟裂位置覆蓋腐蝕產(chǎn)物，表現(xiàn)為泥狀花樣特征，見圖5（a），芯部可見冰糖塊狀特征，屬于典型沿晶斷裂的形貌，斷口上還可以觀察到大量的沿晶二次裂紋，見圖5（b）。

斷口腐蝕產(chǎn)物能譜分析顯示（表3），螺栓斷口邊緣聚集大量的硫元素，向螺栓芯部，硫元素逐漸減少，考慮到急冷水中含有的H2S，確定為H2S引起的晶間應(yīng)力腐蝕開裂［4］。

2 斷裂原因分析

結(jié)合化學(xué)成分、微觀組織以及斷口形貌等綜合分析，確定該換熱器螺栓發(fā)生了晶間應(yīng)力腐蝕開裂。致使螺栓在較短的時間里發(fā)生斷裂的原因主要有以下幾個方面：

圖5 螺栓的SEM形貌Fig.5 SEM morphology of bolt（a） corrosion character in the fracture surface（b）intergranular cracking in the center of fracture surface

表3 斷口上腐蝕產(chǎn)物的能譜分析結(jié)果Tab.3 Result of EDS analysis of corrosion products on the fracture

（1）螺栓材料鉻含量偏少，導(dǎo)致所用材料抗腐蝕能力下降；

（2）材料發(fā)生敏化，導(dǎo)致碳化物沿晶界析出，不但消耗了晶界附近的鉻元素，形成貧鉻區(qū)，降低了晶界附近晶粒的抗腐蝕性能［5-6］，而且由于碳化物與晶粒的腐蝕電位不同，導(dǎo)致電偶腐蝕的出現(xiàn)，也會加劇沿晶腐蝕的發(fā)生；

（3）另外奧氏體不銹鋼硬度提高，韌性降低，會提高其應(yīng)力腐蝕開裂敏感性和氫致開裂的敏感性［7］；

（4）有研究表明，在工業(yè)生產(chǎn)中，H2S和CO2聯(lián)合作用導(dǎo)致的腐蝕是普遍存在的嚴(yán)重問題［8］，即使是2205雙相鋼也會發(fā)生沿晶應(yīng)力腐蝕開裂［9］。

本案例中的急冷水中含有的H2S和CO2形成腐蝕環(huán)境，在螺栓緊固時的工作應(yīng)力作用下，不銹鋼螺栓最終發(fā)生了晶間應(yīng)力腐蝕開裂。其腐蝕機理可以寫成：

CO2溶于水生成碳酸，其基本的電化學(xué)腐蝕機理為［10-11］：

CO2會降低溶液的pH，促進(jìn)了螺栓的陰極析氫過程。

生成的氫會在鋼中擴散，并在“陷阱處”聚集，形成H2，導(dǎo)致材料脆斷。當(dāng)H2S／CO2共存時，在一定條件下CO2對腐蝕會起促進(jìn)作用。

3 結(jié)論及建議

（1）換熱器螺栓的斷裂為晶間應(yīng)力腐蝕開裂。

（2）材料中鉻含量偏低，組織發(fā)生敏化以及高硬度，導(dǎo)致螺栓抗蝕性能下降。

（3）工藝介質(zhì)水中含有的H2S以及CO2聯(lián)合作用，促進(jìn)了其侵蝕性，最終在安裝應(yīng)力的共同作用下導(dǎo)致螺栓發(fā)生沿晶應(yīng)力腐蝕開裂。

（4）鑒于以上分析，建議在保證螺栓強度的前提下選用合格的不易發(fā)生敏化的低碳奧氏體不銹鋼螺栓，同時嚴(yán)格控制工作介質(zhì)中的有害雜質(zhì)含量，嚴(yán)格控制螺栓的緊固力，避免應(yīng)力腐蝕開裂的發(fā)生。

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