氨精餾塔重沸器浮頭螺栓斷裂原因分析*

薛 磊，梁 斌

（1.中國石油化工股份有限公司金陵分公司，江蘇 南京 210033；2.南京市鍋爐壓力容器檢驗研究院，江蘇 南京 210019）

浮頭式換熱器的管板可在殼體內自由移動，適用于管程、殼程的介質溫差較大以及殼程介質易結垢的環境。相比于固定管板式換熱器，在實際生產中，浮頭處于封閉環境，發生泄漏不易檢查處理［1］。某石化公司污水汽提裝置氨精餾塔重沸器浮頭螺栓使用不足2 a即發生斷裂，使用壽命遠低于螺栓設計壽命。該重沸器殼程進口壓力1.473 MPa，出口壓力1.6 MPa，進口溫度158℃，出口溫度177.7℃，介質為氨水（含硫化氫）；管程進口壓力1.0 MPa，出口壓力1.35 MPa，進口溫度280℃，出口溫度184℃，介質為蒸汽。浮頭螺栓材質為40Cr鋼。為查明原因，避免類似事故再次發生，對斷裂螺栓進行了失效分析。

1 宏觀分析

螺栓斷裂于中部螺柱部位，兩端螺紋牙槽內有黑色腐蝕產物，不易剝落。斷口側面有多條裂紋，呈撕裂狀，裂紋方向與軸線約成45°夾角，斷裂形貌見圖1。螺栓斷口表面粗糙，呈暗黑色，存在腐蝕痕跡，未見明顯塑性變形，具有脆性斷裂特征，斷口形貌見圖2。

圖1 斷裂螺栓

圖2 螺栓斷口宏觀形貌

2 化學成分分析

在遠離斷口位置橫向取樣進行化學成分光譜分析，分析結果見表1。由表1可知，螺栓材料化學成分符合GB/T 3077—2015標準對40Cr鋼要求［2］。

表1 螺栓材質的化學成分 w，%

3 硬度測定

GB/T 3077—2015標準規定調質狀態40Cr鋼硬度值不大于207HBW。在斷口一側橫向取樣，進行洛氏硬度測定，外表面和心部硬度平均值均大于24 HRC（247 HBW），高于標準規定的上限值，螺栓硬度偏高（測定結果見表2）。

表2 螺栓洛氏硬度測定結果 HRC

4 金相分析

在遠離斷口位置橫向取樣后進行金相檢測，結果如圖3所示。結果表明，螺栓顯微組織為馬氏體位向分布的回火索氏體+少量回火貝氏體+骨架狀鐵素體+顆粒狀滲碳體，與40Cr調質鋼顯微組織存在差異，可能是淬火冷卻速率低或回火溫度和時間不足造成的［3］。

圖3 螺栓金相顯微組織

經過斷面縱向取樣，觀察斷裂螺栓縱截面微觀形貌，發現大量樹枝狀裂紋，見圖4（a），具有應力腐蝕開裂特征［4］。在主裂紋右側臨近螺栓外表面發現階梯狀微裂紋，見圖4（b），有擴展連接趨勢，具有氫致開裂特征［5］。

圖4 螺栓斷口縱向截面裂紋微觀形貌

5 掃描電鏡觀察

在掃描電鏡下觀察螺栓斷口外表面和心部的微觀形貌，如圖5所示。由圖5可知，螺栓微觀斷口呈河流狀花樣，可見較多的二次裂紋，晶面可見微孔和解理小刻面，為脆性斷裂特征［6］。對斷面腐蝕產物進行能譜分析，結果見表3。由表3可知，腐蝕產物以鐵和氧元素為主，還含有較高的硫元素，可以認為螺栓斷裂與介質環境有關。

表3 斷口腐蝕產物能譜分析結果 w，%

圖5 螺栓斷口掃描電鏡形貌

6 分析與討論

化學成分分析結果表明，螺栓材質成分合格。金相分析及硬度測定結果表明，螺栓顯微組織與正常的40Cr調質態組織存在差異，且硬度均值偏高，應是熱處理工藝控制不當所致。在斷口縱向截面位置，發現樹枝狀裂紋和階梯狀裂紋，符合硫化氫應力腐蝕開裂及氫致開裂特征。微觀斷口呈解理狀的脆性斷裂，腐蝕產物中存在較高的硫元素。由于重沸器殼程介質為含硫化氫的氨水，浮頭螺栓實際長期處于潮濕的硫化氫環境中，鋼在濕硫化氫環境中會發生電化學反應［7］：

陽極反應：

二次過程：

或Fe2++HS-■→FeS+H+

陰極反應：

陰極反應生成的氫極易向鋼中滲透并擴散，導致材料脆化，產生氫致裂紋，應力集中會促進氫的擴散，加速裂紋的產生和擴展［8］。在拉伸應力作用下，當環境中硫化氫濃度達到閾值，即促使硫化氫應力腐蝕發生［9］。NACE RP 0472標準和APIRP 492標準中規定，在濕硫化氫環境中承受拉伸載荷的鋼件硬度值小于22 HRC才能有效抵抗硫化氫應力腐蝕開裂［10］。顯然，該螺栓的硬度偏高，造成材料應力腐蝕敏感性增大。

綜上所述，換熱器浮頭的工作方式意味著螺栓長期處于殼程介質濕硫化氫環境中，由于螺栓顯微組織與正常調質后的回火索氏體存在差異，且硬度偏高，致使材料抗硫化氫應力腐蝕性能下降。螺栓緊固后，在預緊力作用下將承受一定的拉應力，當環境中硫化氫介質濃度不斷增大，一方面與鋼材發生電化學反應，導致氫擴散，產生氫致裂紋；另一方面又會促使硫化氫應力腐蝕的發生。再者，氫擴散產生的內壓又促進了應力腐蝕，使裂紋快速擴展，導致螺栓斷裂失效。

7 結 論

重沸器浮頭螺栓斷裂形式為解理狀脆性斷裂，斷裂機理為濕硫化氫應力腐蝕。長期處于濕硫化氫環境中，螺栓材料產生氫損傷，出現氫致裂紋。由于熱處理不當，螺栓顯微組織與調質態40Cr鋼存在差異且硬度偏高，材料抗硫化氫應力腐蝕性能不足，在拉伸應力作用下，發生了濕硫化氫應力腐蝕，造成螺栓斷裂失效。因此，應合理選擇螺栓材質，控制材料硬度水平，同時緊固浮頭螺栓時預緊力不能過大，防止應力腐蝕的發生。