催化裂化裝置滑閥螺栓斷裂失效分析

湯東征，馬晶晶，張 勇，湯鵬杰

(1.揚子石化-巴斯夫有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210048；2.中國石油化工股份有限公司金陵分公司，江蘇 南京 210033；3.南京金創(chuàng)有色金屬科技發(fā)展有限公司，江蘇 南京 211178)

滑閥是目前催化裂化裝置廣泛應(yīng)用的一種特殊閥門，根據(jù)工藝可分冷壁滑閥和熱壁滑閥，其操作介質(zhì)通常為高溫催化劑顆?；蚋邷?zé)煔狻ｋS著生產(chǎn)工藝的優(yōu)化改進，操作介質(zhì)溫度不斷提高，熱壁滑閥逐漸被冷壁滑閥取代。冷壁滑閥主要由閥體、閥蓋、節(jié)流錐、閥座圈、閥板、導(dǎo)軌和閥桿等部件組成，內(nèi)設(shè)隔熱耐磨襯里【1-2】。

某公司催化裂化裝置冷壁滑閥使用1年后，導(dǎo)軌螺栓發(fā)生斷裂，導(dǎo)致閥體導(dǎo)軌和閥板脫落，被迫非計劃停工，如圖1所示。該滑閥工作溫度700 ℃，工作壓力0.2 MPa，操作介質(zhì)為催化劑和再生空氣。螺栓材質(zhì)為GH4033高溫合金，規(guī)格為M22 mm×120 mm。為查明斷裂原因、確保安全生產(chǎn)、避免類似事故再次發(fā)生，對斷裂螺栓進行失效分析。

圖1 脫落的閥板

1 理化檢驗

1.1 宏觀分析

螺栓斷裂于螺紋根部，無明顯塑性變形，如圖2 所示。圖3所示為螺栓斷口宏觀形貌。由圖3 可見：斷口表面凹凸不平，呈高低起伏狀，具有脆性斷裂特征；表面覆有黑色氧化膜，為長時間在高溫環(huán)境下氧化所致。

圖2 斷裂螺栓

圖3 斷口形貌

1.2 化學(xué)成分

在遠離斷口位置取樣進行光譜分析，測試數(shù)據(jù)見表1。結(jié)果表明：螺栓的化學(xué)成分滿足GB/T 14992—2005《高溫合金和金屬件化合物高溫材料的分類和牌號》對GH4033高溫合金的要求。

表1 斷裂螺栓材料的化學(xué)成分 w，%

1.3 顯微組織

在螺栓斷口和遠離斷口處取樣進行金相分析。結(jié)果顯示：螺栓顯微組織為孿晶奧氏體，晶粒度為1級，晶內(nèi)存在彌散的強化相，如圖4(a)所示；在靠近斷口位置發(fā)現(xiàn)微裂紋，沿奧氏體晶界擴展，有擴展連接趨勢，方向與斷面大致平齊，如圖4(b)；斷口部位無明顯晶粒變形跡象，為沿晶斷裂特征。

圖4 斷裂螺栓顯微組織

1.4 斷口分析

在掃描電鏡下觀察斷口微觀形貌，外表面和心部晶粒呈冰糖狀花樣，心部韌窩較大，存在少量的二次裂紋，如圖5(a)～圖5(b)所示。結(jié)合斷口宏觀和微觀特征以及金相分析，可以確定螺栓為沿晶脆性斷裂。

圖5 微觀斷口形貌

1.5 微觀分析

在掃描電鏡(SEM)下觀察斷裂螺栓的微觀形貌發(fā)現(xiàn)，奧氏體晶內(nèi)可見彌散的碳化物和強化相質(zhì)點，如圖6所示。對析出的強化相做能譜分析，數(shù)據(jù)顯示(見表2)，彌散的碳化物主要是Cr23C6，強化相質(zhì)點主要為TiN。

表2 能譜分析結(jié)果 w，%

圖6 SEM微觀組織

從微觀形態(tài)可以看出，斷口裂紋為孔洞型，具有蠕變開裂特征，如圖7所示。晶界滑動和擴散促進了孔洞連接、微裂紋的形成和擴展。

圖7 蠕變裂紋

2 原因分析

該滑閥螺栓斷裂于螺紋根部，無明顯塑性變形，斷口表面粗糙，呈高低起伏狀，微觀斷口呈冰糖狀花樣，為沿晶脆性斷裂特征。斷口存在孔洞型沿晶裂紋，具有蠕變開裂特征。

GH4033為沉淀強化型鎳基變形高溫合金，其以Ni、Cr元素為基，添加Al、Ti元素形成γ′(Ni3AlTi)和γ″(NixNb)強化相，在700～750 ℃具有足夠的高溫強度【3】。該滑閥螺栓服役1年即發(fā)生斷裂，壽命遠低于設(shè)計要求。為此，在同一導(dǎo)軌上取1根同批次未斷裂螺栓進行光學(xué)顯微鏡(OM)和掃描電鏡(SEM)微觀組織分析，結(jié)果表明，未斷裂螺栓組織晶粒度明顯低于斷裂螺栓，大量碳化物沿奧氏體晶界呈鏈狀分布，晶內(nèi)存在彌散碳化物和強化相質(zhì)點。而斷裂螺栓的奧氏體晶界未見明顯的碳化物，僅有少量彌散的碳化物和強化相質(zhì)點。根據(jù)GH4033在高溫下的微觀組織演變規(guī)律及相關(guān)熱處理工藝【4-5】，認為該斷裂螺栓供貨未達到質(zhì)保要求。正常供貨狀態(tài)的GH4033螺栓微觀組織形態(tài)應(yīng)為圖8(a)～圖8(b)所示的細晶奧氏體，大量富Cr碳化物沿晶分布，起細晶強化和晶界強化作用，加上晶內(nèi)碳化物的彌散強化作用，三者共同保證了GH4033作為高溫合金螺栓使用所需具備的高溫強度和蠕變強度。斷裂螺栓組織晶粒粗大，晶界富Cr碳化物量不足，未起到強化作用。相關(guān)研究【6】表明，富Cr碳化物沿晶分布能夠阻礙晶界滑移，但缺點是會導(dǎo)致界面結(jié)合強度降低，尤其在高溫下，當溫度超過材料等強溫度時，晶界強度會低于晶內(nèi)強度，優(yōu)先在晶界處形成裂紋。

圖8 未斷裂螺栓微觀組織

螺栓作為閥板與導(dǎo)軌連接件，承受較大的軸向應(yīng)力，螺紋齒根部位由于其特殊形狀加上高溫合金所具有的缺口敏感性，易受到應(yīng)力集中影響【7】。該螺栓在700 ℃下長期服役，在奧氏體晶界產(chǎn)生蠕變空洞，空洞隨著變形不斷進行，逐漸長大、集聚形成微裂紋；同時閥板在軌道滑動時，螺栓也會承受較大的剪切應(yīng)力，剪切應(yīng)力和軸向應(yīng)力共同作用加速了微裂紋的連接和擴展，最終導(dǎo)致螺栓沿晶蠕變斷裂。

3 結(jié)論與建議

通過對斷裂螺栓進行理化檢驗，確定該滑閥螺栓斷裂原因為高溫蠕變。由于螺栓供貨狀態(tài)不符合質(zhì)保要求，顯微組織奧氏體晶粒粗大，僅有少量碳化物沿晶析出，弱化了細晶強化和晶界強化作用，導(dǎo)致螺栓蠕變強度下降。螺栓作為導(dǎo)軌與滑閥的連接件，長期高溫下服役，在拉應(yīng)力和剪切應(yīng)力作用下，發(fā)生了沿晶蠕變斷裂。

建議提高螺栓品質(zhì)，避免發(fā)生不符合質(zhì)量要求的螺栓服役使用的情況。同時，設(shè)備運行需嚴格工藝操作，避免滑閥在超溫狀態(tài)運行。