壓力變送器閥門法蘭固定螺栓斷裂失效分析

摘要:某氯堿廠燒堿裝置氯氣壓縮機壓力變送器閥門法蘭固定螺栓發生斷裂,采用宏觀分析化學成分分析、金相分析、硬度測試等方法對螺栓斷裂失效的原因進行分析。結果表明:斷裂螺栓材質不符合技術標準要求,其中Cr、Ni含量偏低,Mn含量偏高;螺栓的斷裂屬于應力腐蝕開裂，裂紋起源于螺栓光桿部分的晶間腐蝕,以沿晶形式擴展,其腐蝕介質主要為氯化物。
1概述
　　某氯堿廠離子膜燒堿裝置設計規模20Mt/a,是以食鹽為主要原料，通過電解鹽水生產氯氣、氫氣和燒堿。其中氯氣經干燥、壓縮后送下游裝置,作為聚氯乙烯產品的生產原料。裝置主要生產單元包括:二次鹽水精制、電解、氯氣處理、氫氣處.理、淡鹽水處理、堿蒸發、事故氯氣吸收、次氯酸鈉精制等。
　　該裝置氯氣壓縮機壓力變送器閥門法蘭共有4根固定螺栓,2021年4月10日,其中1根螺栓發生斷裂,導致密封失效。斷裂螺栓材質為奧氏體304不銹鋼,規格為M16雙頭螺栓,于2017年9月安裝使用。本文從斷口、化學成分、金相組織、硬度、環境因素等方面對螺栓斷裂失效原因進行分析,并提出了改進措施。
2理化檢驗及結果
2.1斷口分析
2.1.1斷口宏觀形貌
　　通過觀察斷裂螺栓的斷口形貌,可以看出斷裂發生在光桿部位,無明顯的塑性變形,如圖1所示;斷口為脆性斷裂,呈臺階狀,斷口上覆蓋有黑褐色的腐蝕產物,如圖2所示。
2.1.2斷口微觀分析
　　采用SEM及EDS對螺栓斷口表面黑褐色的腐蝕物區域進行分析，微觀形貌如圖3所示，成分及含量結果如表1所示。
 
　　由圖3可以看出,斷口截面存在點蝕坑。由表1可知:斷口表面腐蝕物區域主要含有0、Fe、Cl、Mn.Cr等元素,其中腐蝕物芯部區域、邊緣區域的CI質量分數均在4.00%以上，且邊緣區域含量高于芯部區域。
 
2.2化學成分分析
　　為了檢驗斷裂螺栓的化學成分是否符合GB/T1220-2016技術要求,采用直讀光譜儀對斷裂螺栓進行取樣檢測，結果見表2。
 
　　由表2可知:斷裂螺栓化學成分中Cr、Ni含量低于標準值,而Mn含量高于標準值。
2.3金相分析
　　金相分析是金屬斷裂分析中的重要手段,能夠檢驗斷裂螺栓內部的非金屬夾雜物的分布及類別、晶粒度大小、顯微組織是否正常。
2.3.1非金屬夾雜物檢測
　　對斷裂螺栓光桿部位、螺紋部位分別取樣,按照GB/T10561--2005進行非金屬夾雜物檢測,結果見表3。
　　由表3結果可知:螺栓中非金屬夾雜物以硫化物及氮化物為主。
 
2.3.2晶粒度檢驗(見圖4)
對斷裂螺栓光桿部位、螺紋部位分別取樣,按照GB/T6394-2017進行晶粒度檢驗，斷裂螺栓光桿部位和螺紋部位的晶粒度評定為6級。
 
2.3.3顯微組織檢驗
　　為了檢驗斷裂螺栓內部的組織是否正常,按照GB/T13298-2015標準,對斷裂螺栓光桿部位進行顯微組織檢驗，如圖5所示。
 
　　由圖5a可見:光桿部位的金相組織為奧氏體及夾雜物,沿晶界析出少量碳化物;由圖5b可見:螺紋部位呈帶狀金相組織。
2.3.4裂紋微觀檢驗
　　將斷裂螺栓沿軸向剖開,發現斷口處有較多的沿晶裂紋，如圖6a所示;同時發現多條由光桿表面向內與斷口同一方向的樹枝狀擴展裂紋,如圖6b所示,裂紋呈典型的應力腐蝕裂紋,如圖6c所示。
2.4硬度檢測
　　按照國標GB/T230.1-2018標準，對斷裂螺栓光桿部位與螺紋部位的軸向截面進行洛氏硬度檢測,結果如表4所示。
 
由表4結果可知:螺栓的硬度由邊緣向芯部逐漸降低,而光桿部位芯部硬度低于螺紋部位。
 
 
3斷裂原因分析
　　由上述檢驗結果可知:斷裂螺栓化學成分中Cr、Ni含量偏低,Mn含量偏高,不符合技術標準要求。Cr、Ni是提高不銹鋼耐腐蝕性能的關鍵元素,不僅可以提高鋼基體的電極電位,還能促進在鋼的表面形成一-層穩定、完整的鈍化膜，從而提高不銹鋼的耐腐蝕能力叫。Mn含量超標則會降低不銹鋼的耐點蝕性能和耐縫隙腐蝕性能。斷裂螺栓中Cr、Ni含量偏低,Mn含量偏高,導致螺栓耐腐蝕能力下降。
　　從螺栓斷口分析可知其表面腐蝕物中Cl含量較高。這是因為壓力變送器閥門法蘭長期暴露于涉氯區域大氣中,且外部包覆保溫材料,CI-在法蘭固定螺栓與保溫層間隙處積累并濃縮。同時,壓縮機工作時會對法蘭固定螺栓產生較大的拉應力。奧氏體不銹鋼對CI-極為敏感,較低濃度CI~的應力環境即能引起應力腐蝕開裂。因此,螺栓的斷裂是由拉應力和氯化物造成的應力腐蝕開裂,且腐蝕介質氯化物隨裂紋擴展由螺栓表面向芯部逐漸侵入。
　　斷裂螺栓的裂紋起源于螺栓外表面,裂紋呈樹枝狀發散,擴展方式以沿晶為主。顯微組織檢查中發現沿晶界析出少量碳化物,這些碳化物主要以碳化鉻(Cr23C,)的形式存在，消耗了晶界附近大量的鉻,造成晶界貧鉻,加劇了晶間腐蝕傾向;此外,斷裂螺栓中的Cr、Ni含量偏低,更消弱了基體的抗晶間腐蝕能力,腐蝕主要沿晶界發展,故形成了沿晶裂紋[3]。
　　螺栓斷裂發生在光桿部位。這是因為螺紋部分一般是經碾壓而成型,螺紋根部存在較大的壓應力,所以其截面硬度高于光桿部位;同時,由于存在較大的壓應力,也降低了奧氏體不銹鋼對應力腐蝕的敏感性。螺栓中間的光桿部位在成型過程中未形成顯著壓應力,其硬度偏低，在受拉應力的作用下易發生應力腐蝕開裂。
此外，環境的溫度變化、干濕交替也會加速螺栓的腐蝕斷裂。防凍、防凝方式,拆除保溫層,降低因CI-集聚而誘發的應力腐蝕開裂風險。
(2)更換4根法蘭固定螺栓,螺栓材質由奧氏體304不銹鋼改為35CrMo鋼,并在螺栓表面進行防腐處理。
(3)安裝螺栓時,通過應用定力矩緊固技術，確保每根螺栓受力均勻，避免螺栓出現拉應力過大或者受力不均情況。
(4)嚴格控制螺栓質量檢驗,避免使用不合格產品,并建立可追溯臺賬。
　　措施實施以后,半年時間的運行結果表明:螺栓狀態良好,未發現腐蝕、裂紋等異常情況,設備隱患得到消除,為生產裝置長周期安全運行奠定基礎。