壓力變送器閥門法蘭固定螺栓斷裂失效分析

上海自動化儀表有限公司某氯堿廠燒堿裝置氯氣壓縮機智能壓力變送器閥門法蘭固定螺栓發(fā)生斷裂，采用宏觀分析、化學成分分析、金相分析、硬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(guī)模 20 Mt /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(jīng)干燥、壓縮后送下游裝置，作為的生產原料。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(fā)、事故氯氣吸收、次氯酸鈉精制等。

該裝置氯氣壓縮機智能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(fā)生斷裂，導致密封失效。斷裂螺栓材質為奧氏體 3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(huán)境因素等方面對螺栓斷裂失效原因進行分析，并提出了改化檢驗及結果

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(fā)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。 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(qū)域進行分析。

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(qū)域主要含有 O、Fe、 Cl、Mn、Cr 等元素，其中腐蝕物芯部區(qū)域、邊緣區(qū)域的在4. 00% 以上，且邊緣區(qū)域含量高于芯部區(qū)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 / T 1220—2016 技術要求，采用直讀光譜儀對斷裂螺栓進行取樣檢測。

、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 /T 10561—2005 進行非金屬夾雜物檢測。

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

對斷裂螺栓光桿部位、螺紋部位分別取樣，按 照 GB /T 6394—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 /T 13298—2015 標準，對斷裂螺栓光桿部位進行顯微組織檢驗。

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(fā)現(xiàn)斷口處有較多的沿晶裂紋，如圖 6a 所示; 同時發(fā)現(xiàn)多條由光桿表面向內與斷口同一方向的樹枝狀擴展裂紋的應力腐蝕裂紋。

2. 4 硬度檢測

按照國標 GB /T 230. 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。

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，不僅體的電極電位，還能促進在鋼的表面形成一層穩(wěn)定、完整的鈍化膜，從而提高不銹鋼的耐腐蝕能力［1］。Mn 含量超標則會降低不銹鋼的耐點蝕性能和能。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。這是因為智能壓力變送器閥門法蘭長期暴露于涉氯區(qū)域大氣中，且外部包覆保溫材料，Cl － 在法蘭固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 Cl － 極為敏感，較低濃度 Cl － 的應力環(huán)境即能引裂。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(fā)散，擴展方式以沿晶為主。顯微組織檢查中發(fā)現(xiàn)沿晶界析出少量碳化物，這些碳化物主要以碳化鉻形式存在，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，界發(fā)展，故形成了沿晶裂紋。

螺栓斷裂發(fā)生在光桿部位。這是因為螺紋部分一般是經(jīng)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(fā)生應力腐蝕開裂。

此外，環(huán)境的溫度變化、干濕交替也會加速螺栓的腐蝕斷裂。

4 改進措施及效果

( 1) 改善螺栓使用環(huán)境。優(yōu)化法蘭固定螺栓防凍、防凝方式，拆除保溫層，降低因 Cl － 集聚而誘發(fā)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(xiàn)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(tài)良好，未發(fā)現(xiàn)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。