氨精餾塔重沸器浮頭螺栓斷裂原因分析*

薛 磊，梁 斌

（1.中國(guó)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(yàn)研究院，江蘇 南京 210019）

浮頭式換熱器的管板可在殼體內(nèi)自由移動(dòng)，適用于管程、殼程的介質(zhì)溫差較大以及殼程介質(zhì)易結(jié)垢的環(huán)境。相比于固定管板式換熱器，在實(shí)際生產(chǎn)中，浮頭處于封閉環(huán)境，發(fā)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(fā)生斷裂，使用壽命遠(yuǎn)低于螺栓設(shè)計(jì)壽命。該重沸器殼程進(jìn)口壓力1.473 MPa，出口壓力1.6 MPa，進(jìn)口溫度158℃，出口溫度177.7℃，介質(zhì)為氨水（含硫化氫）；管程進(jìn)口壓力1.0 MPa，出口壓力1.35 MPa，進(jìn)口溫度280℃，出口溫度184℃，介質(zhì)為蒸汽。浮頭螺栓材質(zhì)為40Cr鋼。為查明原因，避免類(lèi)似事故再次發(fā)生，對(duì)斷裂螺栓進(jìn)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(nèi)有黑色腐蝕產(chǎn)物，不易剝落。斷口側(cè)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(jiàn)圖1。螺栓斷口表面粗糙，呈暗黑色，存在腐蝕痕跡，未見(jiàn)明顯塑性變形，具有脆性斷裂特征，斷口形貌見(jiàn)圖2。

圖1 斷裂螺栓

圖2 螺栓斷口宏觀形貌

2 化學(xué)成分分析

在遠(yuǎn)離斷口位置橫向取樣進(jìn)行化學(xué)成分光譜分析，分析結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，螺栓材料化學(xué)成分符合GB/T 3077—2015標(biāo)準(zhǔn)對(duì)40Cr鋼要求［2］。

表1 螺栓材質(zhì)的化學(xué)成分 w，%

3 硬度測(cè)定

GB/T 3077—2015標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定調(diào)質(zhì)狀態(tài)40Cr鋼硬度值不大于207HBW。在斷口一側(cè)橫向取樣，進(jìn)行洛氏硬度測(cè)定，外表面和心部硬度平均值均大于24 HRC（247 HBW），高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的上限值，螺栓硬度偏高（測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2）。

表2 螺栓洛氏硬度測(cè)定結(jié)果 HRC

4 金相分析

在遠(yuǎn)離斷口位置橫向取樣后進(jìn)行金相檢測(cè)，結(jié)果如圖3所示。結(jié)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(diào)質(zhì)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(shí)間不足造成的［3］。

圖3 螺栓金相顯微組織

經(jīng)過(guò)斷面縱向取樣，觀察斷裂螺栓縱截面微觀形貌，發(fā)現(xiàn)大量樹(shù)枝狀裂紋，見(jiàn)圖4（a），具有應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂特征［4］。在主裂紋右側(cè)臨近螺栓外表面發(fā)現(xiàn)階梯狀微裂紋，見(jiàn)圖4（b），有擴(kuò)展連接趨勢(shì)，具有氫致開(kāi)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(jiàn)較多的二次裂紋，晶面可見(jiàn)微孔和解理小刻面，為脆性斷裂特征［6］。對(duì)斷面腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，腐蝕產(chǎn)物以鐵和氧元素為主，還含有較高的硫元素，可以認(rèn)為螺栓斷裂與介質(zhì)環(huán)境有關(guān)。

表3 斷口腐蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果 w，%

圖5 螺栓斷口掃描電鏡形貌

6 分析與討論

化學(xué)成分分析結(jié)果表明，螺栓材質(zhì)成分合格。金相分析及硬度測(cè)定結(jié)果表明，螺栓顯微組織與正常的40Cr調(diào)質(zhì)態(tài)組織存在差異，且硬度均值偏高，應(yīng)是熱處理工藝控制不當(dāng)所致。在斷口縱向截面位置，發(fā)現(xiàn)樹(shù)枝狀裂紋和階梯狀裂紋，符合硫化氫應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂及氫致開(kāi)裂特征。微觀斷口呈解理狀的脆性斷裂，腐蝕產(chǎn)物中存在較高的硫元素。由于重沸器殼程介質(zhì)為含硫化氫的氨水，浮頭螺栓實(shí)際長(zhǎng)期處于潮濕的硫化氫環(huán)境中，鋼在濕硫化氫環(huán)境中會(huì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)［7］：

陽(yáng)極反應(yīng)：

二次過(guò)程：

或Fe2++HS-■→FeS+H+

陰極反應(yīng)：

陰極反應(yīng)生成的氫極易向鋼中滲透并擴(kuò)散，導(dǎo)致材料脆化，產(chǎn)生氫致裂紋，應(yīng)力集中會(huì)促進(jìn)氫的擴(kuò)散，加速裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展［8］。在拉伸應(yīng)力作用下，當(dāng)環(huán)境中硫化氫濃度達(dá)到閾值，即促使硫化氫應(yīng)力腐蝕發(fā)生［9］。NACE RP 0472標(biāo)準(zhǔn)和APIRP 492標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，在濕硫化氫環(huán)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(yīng)力腐蝕開(kāi)裂［10］。顯然，該螺栓的硬度偏高，造成材料應(yīng)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(zhǎng)期處于殼程介質(zhì)濕硫化氫環(huán)境中，由于螺栓顯微組織與正常調(diào)質(zhì)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(yīng)力腐蝕性能下降。螺栓緊固后，在預(yù)緊力作用下將承受一定的拉應(yīng)力，當(dāng)環(huán)境中硫化氫介質(zhì)濃度不斷增大，一方面與鋼材發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致氫擴(kuò)散，產(chǎn)生氫致裂紋；另一方面又會(huì)促使硫化氫應(yīng)力腐蝕的發(fā)生。再者，氫擴(kuò)散產(chǎn)生的內(nèi)壓又促進(jìn)了應(yīng)力腐蝕，使裂紋快速擴(kuò)展，導(dǎo)致螺栓斷裂失效。

7 結(jié) 論

重沸器浮頭螺栓斷裂形式為解理狀脆性斷裂，斷裂機(jī)理為濕硫化氫應(yīng)力腐蝕。長(zhǎng)期處于濕硫化氫環(huán)境中，螺栓材料產(chǎn)生氫損傷，出現(xiàn)氫致裂紋。由于熱處理不當(dāng)，螺栓顯微組織與調(diào)質(zhì)態(tài)40Cr鋼存在差異且硬度偏高，材料抗硫化氫應(yīng)力腐蝕性能不足，在拉伸應(yīng)力作用下，發(fā)生了濕硫化氫應(yīng)力腐蝕，造成螺栓斷裂失效。因此，應(yīng)合理選擇螺栓材質(zhì)，控制材料硬度水平，同時(shí)緊固浮頭螺栓時(shí)預(yù)緊力不能過(guò)大，防止應(yīng)力腐蝕的發(fā)生。