硫磺回收儀表閥門螺栓斷裂原因

孫小兵,葉海波,彭安校,魏玉偉,陸 杰,王小林

(廣西壯族自治區(qū)特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院,南寧 530219)

某大型石油化工生產(chǎn)企業(yè)在常規(guī)檢查中發(fā)現(xiàn),硫磺回收儀表閥門發(fā)生泄漏,迫使整套裝置非計(jì)劃停機(jī)。經(jīng)拆卸檢查發(fā)現(xiàn),硫磺回收儀表閥門螺栓斷裂。該閥門型號為DN10-c14,公稱直徑為14 mm,工作介質(zhì)為燃?xì)?工作壓力為5 MPa,斷裂螺栓的材料為06Cr19Ni10 鋼(304 不銹鋼)。為查明該螺栓斷裂的原因,本工作進(jìn)行了一系列的檢驗(yàn)與分析,以期避免該類事故的再次發(fā)生。

1 理化檢驗(yàn)與結(jié)果

1.1 宏觀觀察

由圖1可見:螺栓螺紋未發(fā)生明顯變形或磨損,光桿部位較為光滑,無顯著劃傷;螺栓表面無防腐蝕涂層,螺栓的斷裂位置均在螺栓六角頭與桿部連接處;螺栓六角頭側(cè)斷口呈貝殼狀,桿部斷口呈蜂窩狀,六角頭底部存在放射狀劃痕,其表面覆蓋了一層黃色腐蝕產(chǎn)物。

圖1 硫磺回收儀表閥門斷裂螺栓的安裝位置及斷口宏觀形貌Fig.1 Installation position(a)and fracture macro morphology(b)of fractured bolt of sulfur recovery instrument valve

1.2 化學(xué)成分分析

采用德國OBLF 全譜光譜分析儀對該斷裂螺栓進(jìn)行化學(xué)成分分析。由表1可見,該斷裂螺栓的化學(xué)成分不符合GB/T 20878-2007《不銹鋼和耐熱鋼 牌號及化學(xué)成分》標(biāo)準(zhǔn)對304不銹鋼化學(xué)成分的技術(shù)要求,其中,鎳和鉻元素含量遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)值,表明該斷裂螺栓不符合選材設(shè)計(jì)要求,存在缺陷。

表1 斷裂螺栓的化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of fractured bolt %

1.3 金相檢驗(yàn)

1.3.1 非金屬夾雜物檢驗(yàn)

非金屬夾雜物的存在會(huì)破壞鋼鐵材料組織的連續(xù)性,從而影響其力學(xué)性能及物理性能[1]。在螺栓 拋光面上選擇面積為0.50 mm2的正方形視場,對夾雜物嚴(yán)重的位置進(jìn)行觀察。如圖2所示,斷裂螺栓存在條狀、類球狀、球狀以及點(diǎn)狀?yuàn)A雜物,其中,點(diǎn)狀?yuàn)A雜物的數(shù)量較多,且分布均勻,條狀、類球狀及球狀?yuàn)A雜物隨機(jī)分布。

圖2 斷裂螺栓表面不同形態(tài)夾雜物的微觀形貌Fig.2 Micro morphology of inclusions with different shapes on bolt surface: (a)strip,spheroid and dot;(b)spherical

根據(jù)GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗(yàn)法》標(biāo)準(zhǔn),可知圖3(a)中存在較寬范圍形態(tài)比(夾雜物長度與寬度的比值)的夾雜物,并且其端角呈圓角。同時(shí),還存在形態(tài)比小于3的夾雜物,呈無規(guī)則分布,根據(jù)評級標(biāo)準(zhǔn)評定,圖3(a)中存在A 類(硫化物類)及D 類(球狀氧化物)夾雜物,其級別分別為1和1.5。圖3(b)中存在形態(tài)比小于3的球狀?yuàn)A雜物,并且呈無規(guī)則分布,根據(jù)評級標(biāo)準(zhǔn)評定,圖3(b)中存在D類(球狀氧化物)夾雜物,其級別為1.5。

圖3 斷裂螺栓的顯微組織Fig.3 Microstructure of fractured bolt: (a)low magnification;(b)high magnification

1.3.2 顯微組織觀察

采用ZeissObserveD1m 型金相顯微鏡觀察斷裂螺栓的顯微組織。由圖3可見:斷裂螺栓組織中大多數(shù)晶粒呈不規(guī)則多邊形,少數(shù)晶粒呈類長方形狀孿晶,這符合奧氏體不銹鋼的組織結(jié)構(gòu)特征,由此可以確定該斷裂螺栓的材料為奧氏體不銹鋼[2];與正常的奧氏體顯微組織相比,該斷裂螺栓中晶粒之間的晶界溝壑較寬,晶界間存在黑色顆粒狀斑點(diǎn),這屬于典型的晶界碳化物析出的特征[3]。奧氏體不銹鋼晶界間碳化物析出是導(dǎo)致其晶界腐蝕的重要因素之一。

1.4 硬度測試

采用美國威爾遜洛氏硬度計(jì)在斷裂螺栓上進(jìn)行硬度測試,為了減小誤差,取7 個(gè)點(diǎn)檢測值的平均值。由表2 可見,斷裂螺栓的硬度平均值遠(yuǎn)大于GB/T 1220-2007《不銹鋼棒》標(biāo)準(zhǔn)中的技術(shù)要求,表明斷裂螺栓的硬度存在異常[4]。推測該斷裂螺栓可能存在碳化物析出,從而導(dǎo)致其硬度過高[5]。

表2 斷裂螺栓的硬度Tab.2 Hardness of fractured bolt

1.5 斷口分析

采用掃描電鏡(SEM),對螺栓斷口進(jìn)行微觀形貌觀察。由圖4可見:螺栓斷口整體呈凹凸不平狀,斷口邊緣存在撕裂組織,與撕裂處相對的一端的高度遠(yuǎn)大于斷口整體的高度,因此,推測裂紋起源于斷口邊緣較低位置處;放大觀察斷口發(fā)現(xiàn),斷裂處呈冰糖狀,屬于典型的晶間腐蝕的形貌特征[6]。

圖4 螺栓斷口的SEM 形貌Fig.4 SEM morphology of bolt fracture: (a)low magnification;(b)high magnification

采用能譜儀(EDS),對螺栓斷口表面腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行分析。由表3可見:對比去除腐蝕產(chǎn)物前后的EDS分析結(jié)果,螺栓斷口表面的腐蝕產(chǎn)物中存在硫、氯和氧元素;去除腐蝕產(chǎn)物后,螺栓斷口的鎳和鉻元素的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)分別為7.23%、15.56%,仍低于GB/T 20878-2007標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的技術(shù)要求。

表3 螺栓斷口EDS分析結(jié)果Tab.3 EDS analysis results of bolt fracture %

氧元素的存在驗(yàn)證了螺栓斷裂后暴露于空氣中,使斷口表面形成黃褐色氧化物,結(jié)合硫磺回收工藝流程和螺栓服役環(huán)境可知,硫元素來源于燃?xì)?氯元素來源于海邊的濕潤空氣,氯化氫、硫化氫和稀硫酸溶液對304不銹鋼均有較強(qiáng)的腐蝕作用[7],鎳和鉻元素含量偏低也是導(dǎo)致螺栓腐蝕的重要原因之一。由此可推測,螺栓斷口表面的腐蝕產(chǎn)物可能是鐵的氯化物、硫化物或硫酸鹽。

2 討論

2.1 斷裂原因分析

根據(jù)GB/T 20878-2007標(biāo)準(zhǔn)中對于304不銹鋼鎳和鉻元素含量的技術(shù)要求,斷裂螺栓中的鎳和鉻元素含量遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)值,這使螺栓的耐蝕性降低。根據(jù)GB/T 10561-2005標(biāo)準(zhǔn),斷裂螺栓中存在夾雜物,這使螺栓內(nèi)部組織的連續(xù)性受到影響。根據(jù)GB/T 1220-2007標(biāo)準(zhǔn),斷裂螺栓的硬度偏高,容易引起材料斷裂。

由金相檢驗(yàn)結(jié)果可知,斷裂螺栓組織為奧氏體,晶粒之間的晶界溝壑比正常奧氏體的寬,晶界處還存在黑色顆粒狀碳化物,從而使晶間形成貧鉻區(qū),這可能是材料熱處理工藝不恰當(dāng)或螺栓服役溫度在其敏化溫度范圍內(nèi)引起的[8]。奧氏體不銹鋼晶界碳化物的析出是誘發(fā)晶間腐蝕的重要原因之一。

由斷口EDS分析結(jié)果可知,螺栓斷口表面存在一定量的硫、氯和氧元素,硫元素來源于燃?xì)庵械牧蚧铩嗔崖菟ǖ姆郗h(huán)境靠近海邊,由此推斷氯元素來源于海水中的氯化物,氧元素來源于空氣和服役環(huán)境中的溶解氧,氧作為去極化劑參與螺栓陽極腐蝕過程[9]。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果可知,該螺栓的斷裂與人工裝配過程中的機(jī)械損傷、部件不匹配以及介質(zhì)流動(dòng)或升溫等因素關(guān)系不大。

2.2 失效機(jī)制分析

碳含量是影響奧氏體不銹鋼發(fā)生晶間腐蝕的主要因素。在常溫下,碳元素在奧氏體中的溶解度很小,經(jīng)固溶處理后,碳元素可在奧氏體組織中達(dá)到過飽和狀態(tài)。當(dāng)不銹鋼從固溶溫度冷卻下來時(shí),碳處于過飽和,由于加熱溫度偏低或保溫時(shí)間不足,會(huì)使碳在奧氏體晶界富集,與基體中的鉻元素形成不穩(wěn)定的Cr23C6,由于Cr23C6鉻含量很高,而鉻元素在奧氏體中的擴(kuò)散速率很低,這樣就在晶界兩側(cè)形成了貧鉻區(qū),晶粒與晶界構(gòu)成活態(tài)-鈍態(tài)的微電偶結(jié)構(gòu),從而造成晶界腐蝕[10]。

該斷裂螺栓的奧氏體晶粒之間的晶界溝壑較寬,晶界處還存在黑色顆粒狀碳化物,表明其晶間產(chǎn)生了貧鉻區(qū),其主要原因可分為兩種,其一為螺栓在生產(chǎn)過程中未進(jìn)行固溶處理或固溶處理工藝不恰當(dāng),其二為螺栓服役環(huán)境溫度處于材料敏化溫度區(qū)間內(nèi),導(dǎo)致材料發(fā)生敏化。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研可知,該螺栓的服役溫度較低,未達(dá)到敏化溫度,該螺栓斷口呈典型的晶間腐蝕的形貌特征[11],由此可推斷該螺栓斷裂是非敏化型晶間腐蝕導(dǎo)致的。

綜合分析可知,該螺栓中的鎳和鉻元素含量偏低,使其耐蝕性較低,螺栓的固溶處理工藝不恰當(dāng),使其晶界兩側(cè)形成了貧鉻區(qū),且螺栓的服役溫度較低,未達(dá)到敏化溫度,在腐蝕介質(zhì)的作用下,螺栓發(fā)生非敏化型晶間腐蝕,最終導(dǎo)致螺栓斷裂。

3 結(jié)論

(1) 該硫磺儀表閥門螺栓中的鎳和鉻元素含量偏低,使其耐蝕性較低,螺栓的固溶處理工藝不恰當(dāng),使其晶界兩側(cè)形成了貧鉻區(qū),且螺栓的服役溫度較低,未達(dá)到敏化溫度,在腐蝕性介質(zhì)的作用下,螺栓發(fā)生非敏化型晶間腐蝕,最終導(dǎo)致螺栓斷裂。

(2) 更換化學(xué)成分合格的304不銹鋼螺栓,選擇合適的螺栓固溶處理工藝,使用耐晶間腐蝕性能更好的材料,以代替304奧氏體不銹鋼。