螺栓中氢气预热器连接螺栓失效分析及解决对策检测方案(电镜部件)

Vol4.No12 2007氢气预热器连接螺栓失效分析及解决对策CPVT 压 力 容 器第24卷第12期总第181期 氢气预热器连接螺栓失效分析及解决对策 姜 勇，巩建鸣 (南京工业大学机械与动力工程学院，江苏南京 210009) 摘 要：从断口宏观特征、材质、浙口电镜形貌以及微观组织等方面对发生断裂的氢气预热器连接螺栓进行了分析，结果表明，螺栓断口腐蚀产物为单纯的 FeS晶粒。根据高温硫腐蚀机理分析，确定该连接螺栓的断裂是一起典型的高温硫环境下的应力腐蚀开裂失效案例，主要是由于工作介质中含有硫化氢或者硫蒸汽所致。建议提高材料等级，采用 0Cr18Ni10Ti不锈钢螺栓，以解决腐蚀问题， 关键词：35CMoA；氢气预热器；连接螺栓；高温硫腐蚀 中图分类号：TG172.9 文献标识码：B 文章编号：1001-4837(2007)12-0029-04 Fa ilure Analysis and Coun term ea sure of the HydrogenPrehea ter Connecting Bolts JIANG Yong， GONG Jan- ming (College ofMechanical and Power Engineering， NJUT， Nanjing 210009， China) Abstract： In the present paper， by means of macro scop ical rup ture analysis， chem ical composition analy-sis， fracture surface SEM analysis and metallographic structure analysis， the fracture reason of hydrogenpreheater bolt was analyzedThe results showed the corio sion product on fracture surface of the bolt wassimplex FeS crystal Basing on high temperature sulfur corrsion mechanism， the fracture of bolts is atyp ical stress corrsion cracking(SCC) caused by high temperature and sulfur corrosion Sulfureted hydiogen or sulfur steam contained in the medium is the main reason In order to solve this problem，0Cr18N i10Ti stainless steel should be used to rep lace35CMoA. Key words：35CMoA； hydrogen preheater， connecting bolt； high temperature sulfur corro sion 宏观分析 某烯烃厂氢气预热器运行4年后，在检修时发现连接管板的螺栓中有3根已经完全断裂，其余螺栓也都有不同程度的开裂和腐蚀。该预热器管程操作压力2.83MPa，进口温度391℃，出口温度315℃，壳程操作压力 3.24MPa，进口温度177℃，出口温度375℃，管程和壳程材质均为0Cr18Ni10Ti； 介 质也均为氢气+烃类化合物。连接螺栓直径0300mm，材质为35CMoA，螺母材质为 30CMo. 断裂螺栓宏观特征如图1所示，螺栓已经完全断开，整个断口以及螺栓和螺母外表面均覆盖腐蚀产物，该腐蚀产物具有一定金属光泽，性脆，轻敲即层状脱落，脱落后暴露出的表面颜色灰黑。另据现场技术人员反映，拆卸时闻到较浓的臭味。 为查明失效原因，对螺栓从材质、断口腐蚀产物的形态和成分以及金相组织等方面进行了研究。 图1 螺栓断裂表面形貌 2 螺栓材质分析 螺栓材质检测结果如表1所示。从检测结果可以看出，材质合格。 表1螺栓化学成分 元素名称 检测含量(%) 标准含量(%) C 0.36 0.32~0.4 S 0.035 <0.035 P 0.010 <0.035 Si 0.28 0.17~0.37 Mn 0.53 0.4~0.7 Cr <0.95 0.8~1.10 Mo <0.18 0.15~0.25 3断口扫描电镜分析 利用扫描电镜对断口进行分析，结果见图2，3. 图2断口腐蚀产物 SEM形 断口具有金属光泽的最外层腐蚀产物呈较紧密排列的岩石状特征(见图2)，腐蚀产物的 EDS分析结果显示(见表2)，这些颗粒中只含有Fe和S两种元素，且原子个数比基本是1：1(4950)，因此，可以确定该腐蚀产物为 FeS晶体。 图3内层腐蚀产物 SEM形貌 表2 口腐蚀产物成分分析(EDS) 元素 质量含量(Wt%) 原子含量(At%) Fe 35.6664.34 49.11 50.89 断口表面最外层的 FeS晶粒有部分剥落，露出内层的腐蚀产物，内层腐蚀产物的形貌以及成分见图3、表3。从表3可以看出，内层腐蚀产物中除了少量 Cr，Mn， Si等基体金属中的合金元素以及0元素外，主要组分仍然是原子比为1◇1的Fe和S. 表3内层腐蚀产物成分分析(EDS) 元素 质量含量(Wt%) 原子含量(At%) O 8.72 20.80 Si 1.01 1.37 S 31.59 37.61 Cr 1.85 1.36 Mn 0.74 0.51 Fe 56.09 38.34 分析结果表明腐蚀产物无论是形态还是成分，都属于典型的高温硫(硫化氢)腐蚀产物。无论H，S还是单质硫，在高温下都会对Fe产生较强的腐蚀。HS在高温下能够直接与 Fe反应： 虽然单质硫在常温下较稳定，但在高温下(350~400℃)，可以直接和 Fe生成硫化物： 另外，在H，存在的条件下，单质硫的腐蚀性更强。如230℃时，硫蒸汽对钢的腐蚀不太明显，但在富H环境下，却能与Fe迅速反应，造成的腐蚀程度要比相同条件下HS腐蚀严重数倍。这是因为金属表面具有催化活性，S和H经催化在金属表面形 成高浓度的 H，S，而导致极强的腐蚀性， 在隔绝空气的条件下，典型的金属硫化腐蚀产物大致可以分为二层。外层结构疏松，性脆极易脱落，以 FeS柱状晶为主；内层较细致，但晶格缺陷多组分除了 FeS外，还含有基体材料中所含的合金元素。 由于硫化物层结构不够致密，且极易脱落，因此金属的硫化腐蚀层对提高基体金属的抗腐蚀性能没有任何贡献，相反，金属发生硫化腐蚀后，体积要膨胀为原来的2.5~4.0倍，因此，会在金属内部产生很大的应力，加速裂纹的扩展13.4] 高温硫腐蚀一般具有均匀腐腐的特征，但是，如果材料同时还受到较大的应力作用，也会出现由于含硫介质和应力综合作用导致的应力腐蚀开裂。 该氢气预热器服役温度在177~391℃，且为富氢环境，因此无论工作介质中是含有较多的S还是HS，都会对材料造成严重硫腐蚀。另外封头螺栓 工作时承受着较大的工作拉应力，因此，很容易出现含硫介质和应力综合作用导致的应力腐蚀开裂。 4 金相组织分析 螺栓材料中存在较多的夹杂物，见图4.夹杂物呈颗粒状或条状，且在外表面附近分布较密集，芯部数量较少。夹杂物对材料的强度和抗腐蚀性能都会产生不良影响。 该螺栓组织为索氏体+少量上贝氏体，组织基本正常，但有粒状碳化物沿着原奥氏体晶界析出(见图5)，这会导致材料抗晶间腐蚀能力下降，在腐蚀介质的作用下很容易出现沿晶开裂。在主断裂面附近观察到的二次裂纹形貌见图6，裂纹中充满腐蚀产物，且具有明显的沿原奥氏体晶界发展的特征，这与碳化物析出有一定关系。 图4 螺栓中夹杂物 5 失效原因分析与建议 工作状态下的螺栓承受较大的拉应力，并且介质环境中含有较多的 HS气体或S蒸汽，在高温环境下发生了硫介质和工作应力综合作用引起的应力腐蚀开裂，开裂初期只是一些小裂纹，裂纹中充满腐蚀产物。由于金属发生硫化腐蚀后，体积会膨胀2~4倍，因此，随着腐蚀不断进行，裂纹内的腐蚀产物体积不断膨胀，导致在裂纹尖端产生很大的应力，加速裂纹的扩展，直至最终发生整体断裂。另外，螺栓材料本身含有一定的杂质和沿着奥氏体晶界析出的碳化物，降低了材料力学性能和抗腐蚀性能，也为裂纹的萌生和扩展提供了便利通道。 综合以上分析可以确定，该氢气预热器连接螺栓的断裂是一起典型的高温硫环境下应力腐蚀开裂引起的失效。 氢气预热器是整套装置中的重要设备，工作介质为易燃易爆的氢气和烃类气体，一旦泄漏极易发生爆炸，造成严重后果。因此在生产中要严格控制工作介质中腐蚀性成分的含量，特别是S及其化合物。建议生产单位一定要查明S的来源并控制其含量。另外，普遍的观点认为，当材料中 Cr元素含量达到18%以上时，就能够抑制硫腐蚀的发生，且实际生产也表明，相同工作介质中使用的18-8型不 (上接第15页) (3)多层波纹管压缩刚度非线性的主要产生原因是压缩过程层间接触区域和接触力的非线性变化，这是因为在压缩过程各层的变形更加复杂， (4)对于大型多层波纹管，为提高其工程计算的准确程度，和薄厚减薄效应一样，表征层间接触状态的摩擦系数等重要参数也必须给予准确的定量。 ( 参考文献： ) ( [1] 李永生.波形膨胀节实用技术[M].北京：化学工业 出版社，2000. ) ( [2] QAN Yi， CHEN Lon g gen Fail u re Analysis ofBellows un-der Extemal Pressure[J]. 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