壓力變送器閥門法蘭固定螺栓斷裂失效分析

上海自動(dòng)化儀表有限公司某氯堿廠燒堿裝置氯氣壓縮機(jī)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(xué)成分分析、金相分析、硬法對(duì)螺栓斷裂失效的原因進(jìn)行分析。結(jié)果表明: 斷裂螺栓材質(zhì)不符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，其中 Cr、Ni含量偏低，Mn 含量偏高; 螺栓的斷裂屬于應(yīng)力腐蝕開裂螺栓光桿部分的晶間腐蝕，以沿晶形式擴(kuò)展，其腐蝕介質(zhì)主要為氯化物。

1、概述

某氯堿廠離子膜燒堿裝置設(shè)計(jì)規(guī)模 20 Mt /a，是以食鹽為主要原料，通過電解鹽水生產(chǎn)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(chǎn)原料。裝置主要生產(chǎn)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(jī)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(dǎo)致密封失效。斷裂螺栓材質(zhì)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(xué)成分、金相組織、硬度、環(huán)境因素等方面對(duì)螺栓斷裂失效原因進(jìn)行分析，并提出了改化檢驗(yàn)及結(jié)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(tái)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(duì)螺栓斷口表面黑褐色的腐蝕物區(qū)域進(jìn)行分析。

可以看出，斷口截面存在點(diǎn)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(xué)成分分析

為了檢驗(yàn)斷裂螺栓的化學(xué)成分是否符合 GB / T 1220—2016 技術(shù)要求，采用直讀光譜儀對(duì)斷裂螺栓進(jìn)行取樣檢測(cè)。

、可知: 斷裂螺栓化學(xué)成分中 Cr、Ni 含量低于標(biāo)準(zhǔn)值，而 Mn 含量高于標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)斷裂螺栓內(nèi)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(cè)

對(duì)斷裂螺栓光桿部位、螺紋部位分別取樣，按 照 GB /T 10561—2005 進(jìn)行非金屬夾雜物檢測(cè)。

結(jié)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(yàn)

對(duì)斷裂螺栓光桿部位、螺紋部位分別取樣，按 照 GB /T 6394—2017 進(jìn)行晶粒度檢驗(yàn)，斷裂螺栓光桿部位和螺紋部位的晶粒度評(píng)定為 6 級(jí)。

2. 3. 3 顯微組織檢驗(yàn)

為了檢驗(yàn)斷裂螺栓內(nèi)部的組織是否正常，按 照 GB /T 13298—2015 標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)斷裂螺栓光桿部位進(jìn)行顯微組織檢驗(yàn)。

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(yàn)

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(shí)發(fā)現(xiàn)多條由光桿表面向內(nèi)與斷口同一方向的樹枝狀擴(kuò)展裂紋的應(yīng)力腐蝕裂紋。

2. 4 硬度檢測(cè)

按照國標(biāo) GB /T 230. 1—2018 標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)斷裂螺栓光桿部位與螺紋部位的軸向截面進(jìn)行洛氏硬度檢測(cè)。

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(yàn)結(jié)果可知: 斷裂螺栓化學(xué)成分中Cr、Ni 含量偏低，Mn 含量偏高，不符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。Cr、Ni 是提高不銹鋼耐腐蝕性能的關(guān)鍵元素，不僅體的電極電位，還能促進(jìn)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(biāo)則會(huì)降低不銹鋼的耐點(diǎn)蝕性能和能。斷裂螺栓中 Cr、Ni 含量偏低，Mn 含量偏高，導(dǎo)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?yàn)橹悄軌毫ψ兯推鏖y門法蘭長(zhǎng)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(shí)，壓縮機(jī)工作時(shí)會(huì)對(duì)法蘭固定螺栓產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。奧氏體不銹鋼對(duì) Cl － 極為敏感，較低濃度 Cl － 的應(yīng)力環(huán)境即能引裂。因此，螺栓的斷裂是由拉應(yīng)力和氯化物造成的應(yīng)力腐蝕開裂，且腐蝕介質(zhì)氯化物隨裂紋擴(kuò)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(kuò)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?yàn)槁菁y部分一般是經(jīng)碾壓而成型，螺紋根部存在較大的壓應(yīng)力，所以其截面硬度高于光桿部位; 同時(shí)，由于存在較大的低了奧氏體不銹鋼對(duì)應(yīng)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(yīng)力，其硬度偏低，在受拉應(yīng)力的作用下易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。

此外，環(huán)境的溫度變化、干濕交替也會(huì)加速螺栓的腐蝕斷裂。

4 改進(jìn)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(yīng)力腐蝕開裂風(fēng)險(xiǎn)。

( 2) 更換 4 根法蘭固定螺栓，螺栓材質(zhì)由奧氏體304 不銹鋼改為35CrMo 鋼，并在螺栓表面進(jìn)行防腐處理。

( 3) 安裝螺栓時(shí)，通過應(yīng)用定力矩緊固技術(shù)，確保每根螺栓受力均勻，避免螺栓出現(xiàn)拉應(yīng)力過大或者受力不均情況。

( 4) 嚴(yán)格控制螺栓質(zhì)量檢驗(yàn)，避免使用不合格產(chǎn)品，并建立可追溯臺(tái)賬。

措施實(shí)施以后，半年時(shí)間的運(yùn)行結(jié)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(shè)備隱患得到消除，為生產(chǎn)裝置長(zhǎng)周期安全運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。