溶劑再生塔頂后冷器浮頭法蘭與鉤圈連接螺栓斷裂原因分析

齊景隆

（中化泉州石化有限公司）

螺栓作為常見(jiàn)的機(jī)械零件，是由頭部和螺桿兩部分組成的一類(lèi)緊固件，主要用于緊固連接兩個(gè)帶有通孔的零件［1］。 某石化公司硫磺回收聯(lián)合裝置溶劑再生單元Ⅳ系列再生塔頂后冷器運(yùn)行2周后，該裝置上多根浮頭法蘭與鉤圈的連接螺栓發(fā)生了斷裂。 為了找出螺栓斷裂原因，筆者通過(guò)對(duì)失效螺栓進(jìn)行宏觀(guān)檢查、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能分析、金相分析、掃描電鏡（SEM）及能譜分析（EDS），探究其開(kāi)裂失效的原因，并為減少此類(lèi)失效的發(fā)生提出了意見(jiàn)建議。

1 運(yùn)行工況介紹

某石化公司硫磺回收聯(lián)合裝置溶劑再生單元Ⅳ系列再生塔頂后冷器在大檢修結(jié)束運(yùn)行2周后，出現(xiàn)后冷器循環(huán)水壓力升高、回流罐的液位不斷上升的現(xiàn)象。 停車(chē)檢修發(fā)現(xiàn)，浮頭法蘭與鉤圈的24根連接螺栓中有11根發(fā)生了斷裂，且多數(shù)斷裂于光桿部位， 未斷裂螺栓的螺母發(fā)生松動(dòng)。螺栓的規(guī)格為M24 mm×260 mm，材料為40Cr。 后冷器主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 后冷器主要技術(shù)參數(shù)

2 試驗(yàn)檢測(cè)與分析

2.1 宏觀(guān)檢查

圖1為螺栓宏觀(guān)形貌。 由圖1a可見(jiàn)1#螺栓表面未見(jiàn)明顯裂紋，2#螺栓斷裂于光桿與螺紋過(guò)渡處的第1個(gè)螺紋牙底， 斷口附近區(qū)域未見(jiàn)明顯塑性變形，3#螺栓斷裂于光桿部位；3個(gè)螺栓光桿表面均存在明顯的機(jī)加工痕跡，且光桿與螺紋表面均附著有黑色腐蝕產(chǎn)物，局部腐蝕產(chǎn)物已發(fā)生脫落（圖1b、c）。

圖1 螺栓宏觀(guān)形貌

2.2 化學(xué)成分分析

來(lái)樣螺栓的化學(xué)成分分析結(jié)果見(jiàn)表2。 結(jié)果表 明：1#、2#、3# 螺 栓 化 學(xué) 成 分 均 符 合GB/T 3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》對(duì)40Cr材料的要求。

表2 螺栓化學(xué)成分分析結(jié)果 wt%

2.3 力學(xué)性能分析

2.3.1 拉伸試驗(yàn)

來(lái)樣螺栓的室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。 試驗(yàn)結(jié)果表明：螺栓的規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率、斷面收縮率均符合GB/T 3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》對(duì)40Cr材料的要求，抗拉強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

2.3.2 硬度分析

螺栓硬度檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4，表中給出了2#、3#螺栓近表面區(qū)、1/2半徑區(qū)、芯部、近牙頂區(qū)和近牙底區(qū)的布氏硬度。 由該表可見(jiàn)，2#、3#螺栓硬度高于GB/T 3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》對(duì)40Cr材料調(diào)質(zhì)態(tài)硬度的規(guī)定（不大于HB207）。 查閱螺栓的產(chǎn)品質(zhì)量合格證可見(jiàn)螺栓的硬度為HRC29，轉(zhuǎn)換為布氏硬度為HB273，2#螺栓近表面區(qū)、1/2半徑區(qū)和芯部布氏硬度高于質(zhì)量合格證硬度值，近牙頂和近牙底區(qū)硬度低于質(zhì)量合格證硬度值，3#螺栓近表面區(qū)、1/2半徑區(qū)、芯部、近牙頂區(qū)和近牙底區(qū)硬度低于質(zhì)量合格證硬度值。

表4 螺栓硬度（HB）檢測(cè)結(jié)果

2.4 金相分析

圖2為2#螺栓斷口附近區(qū)域軸向截面裂紋形貌和金相組織。 可見(jiàn)斷口與軸向的夾角約呈10°，裂紋啟裂于螺紋牙底， 斷口附近區(qū)域存在5條由斷口向螺栓內(nèi)部沿晶擴(kuò)展的二次裂紋。 近表面區(qū)、1/2半徑區(qū)和芯部金相組織均為回火索氏體。

圖2 2#螺栓斷口附近區(qū)域軸向截面裂紋形貌和金相組織

圖3為2#螺栓斷口左側(cè)2 mm處的徑向截面形 貌和金相組織。

圖3 2#螺栓斷口左側(cè)2 mm處的徑向截面形貌和金相組織

由圖3可以看出， 螺栓可見(jiàn)光桿部位近表面區(qū)呈凹坑形貌，組織為回火索氏體。

圖4為2#螺栓光桿與螺紋過(guò)渡處光桿側(cè)徑向截面形貌和金相組織。 由圖4可以看出，螺栓光桿與螺紋過(guò)渡處光桿表面存在腐蝕凹坑， 組織與JX2組織相同。

圖4 2#螺栓光桿與螺紋過(guò)渡處光桿側(cè)徑向截面形貌和金相組織

圖5為3#螺栓斷口左側(cè)2 mm處的徑向截面形貌和金相組織。 由圖可以看出，3#螺栓斷口左側(cè)2 mm處的徑向截面的組織與2#螺栓相似， 均為回火索氏體。

圖5 3#螺栓斷口左側(cè)2 mm處的徑向截面形貌和金相組織

圖6為3#螺栓光桿與螺紋過(guò)渡處軸向截面形貌和金相組織。 可見(jiàn)螺紋牙底和牙頂均存在腐蝕凹坑，組織為回火索氏體，局部區(qū)域存在白色的塊狀鐵素體。

圖6 3#螺栓光桿與螺紋過(guò)渡處軸向截面形貌和金相組織

圖7所示為2#螺栓和3#螺栓中非金屬夾雜物 的形貌。

圖7 2#、3#螺栓非金屬夾雜物形貌

根據(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》 可知，2#螺栓的夾雜物級(jí)別為A2.5、D2；3#螺栓的夾雜物級(jí)別為A2.5、B1.5、D2。

2.5 掃描電鏡及能譜分析

2.5.1 斷口分析

2.5.1.1 宏觀(guān)斷口分析

圖8為2#、3#螺栓的斷口宏觀(guān)形貌。 由圖可以看出2#、3#螺栓斷口未見(jiàn)明顯塑性變形， 表面均覆蓋著黑色腐蝕產(chǎn)物；2#、3#螺栓的斷裂面均具有3個(gè)特征區(qū)域，即裂紋源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)。 其中，裂紋源區(qū)和裂紋擴(kuò)展區(qū)均較平整，裂紋擴(kuò)展區(qū)存在放射狀花樣， 該花樣收斂于螺栓表面，表明螺栓啟裂于螺栓的表面。 結(jié)合宏觀(guān)分析可知，2#、3#螺栓裂紋分別啟裂于螺紋牙底、光桿表面。

圖8 螺栓斷口宏觀(guān)形貌

2.5.1.2 微觀(guān)斷口分析

圖9為2#螺栓斷口SEM形貌。 可見(jiàn)原始斷口表面附著有大量的腐蝕產(chǎn)物，斷口具有晶間型斷裂特征（圖9a）；清洗后的2#螺栓斷口可見(jiàn)明顯的晶間斷裂形貌， 且表面存在大量的二次裂紋，裂紋沿晶擴(kuò)展，符合脆性開(kāi)裂的特征（圖9b）。

圖9 2#螺栓斷口SEM形貌

圖10所示為3#螺栓斷口SEM形貌。 由圖可以看出3#螺栓原始斷口表面存在大量溝槽狀腐蝕凹坑，整個(gè)斷面覆蓋有腐蝕產(chǎn)物（圖10a）；清洗后的3#螺栓斷口表面與2#螺栓相近，主裂紋面呈沿晶斷裂的特點(diǎn)， 存在大量沿晶擴(kuò)展的二次裂紋（圖10b）。

圖10 3#螺栓斷口SEM形貌

2.5.2 能譜分析

2.5.2.1 腐蝕產(chǎn)物能譜分析

采用能譜儀對(duì)2#、3#螺栓斷口表面的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析，分析結(jié)果見(jiàn)表5。 由表5所列的分析結(jié)果可以看出，2#、3#螺栓斷口表面的腐蝕產(chǎn)物均以鐵的硫化物和鐵的氧化物為主，2#螺栓含K、Ca、Na等雜質(zhì)元素，3#螺栓含K、Ca、Zn等雜質(zhì)元素；斷口表面S含量由表面至芯部逐漸減少，2#、3#螺栓斷口表面S含量分別高達(dá)29.25wt%、44.28wt%。

表5 螺栓表面及斷口主要元素分析結(jié)果 wt%

2.5.2.2 夾雜物能譜分析

用能譜儀對(duì)螺栓中的夾雜物進(jìn)行能譜分析，分析部位如圖11所示，分析結(jié)果見(jiàn)表6。 由分析結(jié)果可知，螺栓中的長(zhǎng)條狀?yuàn)A雜為MnS。

表6 夾雜物主要元素能譜分析結(jié)果 wt%

圖11 螺栓夾雜物能譜分析部位

3 分析與討論

綜上所述，螺栓材料的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求，室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明螺栓的強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)要求，斷口附近區(qū)域軸向金相分析可見(jiàn)存在多條沿晶擴(kuò)展的二次裂紋，斷口掃描電鏡分析表明主裂紋呈沿晶擴(kuò)展形貌。 根據(jù)NACE RP-04-72和API RP-492 標(biāo)準(zhǔn)， 材料的硬度小于HRC22（HB227）時(shí)才能抵抗應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，而來(lái)樣螺栓的硬度高于標(biāo)準(zhǔn)要求， 使其對(duì)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感； 溶劑再生塔頂后冷器殼程介質(zhì)為酸性氣，主要含H2S、CO2、H2O， 使浮頭法蘭與鉤圈連接螺栓運(yùn)行于H2S-CO2-H2O腐蝕性環(huán)境， 介質(zhì)溫度為40～55 ℃，處于濕硫化氫環(huán)境下易發(fā)生硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的敏感溫度范圍內(nèi)；螺紋牙底和光桿部位機(jī)加工凹槽處存在應(yīng)力集中，螺栓在安裝時(shí)施加的預(yù)緊力形成的軸向拉應(yīng)力和殼程的工作應(yīng)力為螺栓的斷裂提供了應(yīng)力條件。 因此，螺栓的斷裂滿(mǎn)足應(yīng)力腐蝕的3個(gè)條件，即敏感的金屬材料、特定的腐蝕介質(zhì)和足夠大的應(yīng)力［2～5］。 最終，在應(yīng)力與腐蝕性介質(zhì)的共同作用下，螺栓發(fā)生了濕硫化氫環(huán)境下的硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，掃描電鏡及能譜分析發(fā)現(xiàn)的沿晶斷口和大量的硫化物也證實(shí)了這一結(jié)論。

4 結(jié)論及建議

經(jīng)分析可知， 運(yùn)行于濕硫化氫環(huán)境下的螺栓，在預(yù)緊力和殼程的工作應(yīng)力的共同作用下發(fā)生了硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。 因此，在今后的設(shè)計(jì)中建議：選用硬度低于HRC22的螺栓；控制螺栓光桿部位的表面光潔度； 盡可能降低材料中的Mn、S、P元素含量； 控制螺栓的安裝過(guò)程預(yù)緊力，使用扭力扳手實(shí)現(xiàn)；嚴(yán)格按螺栓的裝配順序安裝螺栓。