法兰连接螺栓断裂失效的分析研究

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化　工　设　备　与　管　道第42卷

法兰连接螺栓断裂失效的分析研究

黄勤卫

(上海石油化工股份有限公司, 上海　200540)

[摘要]　某装置多根法兰连接螺栓发生断裂, 经化学成分分析、金相分析、断口的微观形貌、宏观形貌分析、腐蚀产物的能谱分析等一系列研究分析, 确定该螺栓含碳量偏高, 且处于腐蚀环境, 失效为晶间型的应力腐蚀导致的断裂失效, 并对如何预防该类连接螺栓再次发生失效提出建议。

[关键词]　连接螺栓; 　失效分析; 　应力腐蚀; 　晶间腐蚀

Failure Analysis of Flange Connecting Bolt Rupture

Huang Qingwei

(Shanghai Petrochemical S tock Co. , L td , S hanghai 　200540)

[Abstract ]　In one in stallation , s everal flange connecting bolts ruptured. Based on the analy sis of ch emical components , metallu rgy , micro and macro rupture section , and energy of corrosion p rodu cts , it is concluded that the carbon conten t in the bolt is some high , and w h en th e b olt is in corrosion environment , the crystal type of stress corrosion results in rup tu re. Thus , some proposals for preventing this kind of failure w ere presented.

[Keywords ]　connecting bolt , failure analysis , s tress cor rosion , crystal corrosion

1　概况

某装置球罐V 311H 的液位计处的两个法兰连接螺栓发生断裂, 该球罐四年前曾开罐检查, 更换情况不明, 使用时间可能为4年, 也可能为10年, 甚至更长。

工况条件如下:物料:乙烯　温度:-26℃左右

C

标准值(1C r 18Ni 9Ti )

螺栓

≤0. 120. 12

M n ≤2. 00. 82

S i ≤1. 00. 76

S ≤0. 0300. 002

压力:2. 5M Pa 　螺栓材料:18-8

为查明该螺栓断裂产生的原因, 对该螺栓进行取样, 分析失效原因。

2　螺栓材料的化学成分分析

为了明确螺栓的材料, 本次对螺栓的材料进行了化学成分分析, 分析结果见表1所示。

表1　螺栓化学成分

P ≤0. 0350. 028

Cr 17～1916. 87

Ni 8～118. 50

Ti

>5(C -0. 02)～0. 80. 25

　　由表1可知, 该螺栓的材料为奥氏体不锈钢, 对应钢号为1C r 18Ni 9Ti 钢, 则C 含量偏高, 已经是C 含量标准上限, C r 含量偏低, 未达到下限, 而Ti 的含量也远低于要求。

C r -Ni 奥氏体不锈钢在使用前或冶炼厂出厂交货状态多为固溶处理状态。即将不锈钢加热到高温(1000～1150℃左右, 随钢种而异), 保温后快冷(一般为水冷)。此时, 当Cr -Ni 奥氏体不锈钢中含碳量在0. 02～0. 03%以上时(随钢中的含Ni 量较高, 在敏化温度下, C 易向晶界扩散, 析出并与铬形成铬的碳合物Cr 23C 6。由于这种碳化物含有较高的Cr , 所以铬碳化物沿晶界沉淀就导致了碳化物周围钢的基体中C r 浓度的降低, 形成所谓“贫铬区”, 最终将导致晶界的耐腐蚀性下降。

Ti 的作用主要是与钢中过饱和的碳形成稳定的TiC 碳化物而防止或减少铬碳化物C r 23C 6的形成。但由于本螺栓材料的Ti /C比仅为2, 而要避免形成贫铬区, 理想的Ti /C为6以上, 因此本螺栓材

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同时当18-8材料含C 量达到0. 12时, 容易与C r 形成复杂的碳化铬, 而本螺栓的C 含量也恰好达到了0. 12。

3　螺栓断口的宏观形貌

图1的螺栓断口可以看到两个明显的贝纹区域, 分别是两个裂源起裂扩展造成的

。

图2　螺栓的断口侧面

4　试样的金相组织

从图3可以看到裂纹的局部金相图, 从图中可以明显地看到裂纹是沿晶扩展的。该螺栓的微观组

图1　螺栓的断口

在图2中, 可以看到螺栓侧面存在的裂纹

。

织为典型的单一奥氏体相, 晶粒细小, 晶粒度为8。在500倍的金相图从可以看到大量沿晶析出的点状碳化物

。

图3　螺栓金相

5　裂纹断口微观形貌和腐蚀产物分析

在裂纹断口打开后, 在扫描电镜下观察其微观特征, 各照片如图4～图6。

图4～6为螺栓的微观断口形貌, 从微观断口形貌可以看到, 断口上都附着大量的腐蚀产物。从图4可以看到冰糖块状形貌特征, 颗粒状较明显, 同时还可以看到沿晶的二次裂纹。图5则可以找到两次裂纹。图6则可看到韧性断裂的韧窝花样, 说明该处是最终断裂部位。

在一般情况下, 应力腐蚀断口在宏观看来是脆性的, 而微观有可能发现微米数量级的塑性变形, 可

成局部区域应力集中, 从而产生局部的韧性断裂。

图4　裂纹断口微观形貌(1)

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卷

在制造加工期间在敏化温度(450～850℃) 范围加热, 则钢中过饱和的碳就会向晶界扩散, 析出并与其附近的铬形成铬的碳合物, 造成晶界的耐腐蚀性下降, 因此裂纹会沿晶扩展。

(2) 造成本次螺栓断裂的裂纹基本上集中在螺栓杆的中部; 裂纹长, 且存在树状分支; 裂纹扩展方向与螺栓所受拉应力方向垂直; 在断口上有大量腐蚀产物, 且含有硫离子和氯离子。通过这些特征可以确定本次螺栓的腐蚀破坏形式是应力腐蚀, 而且可以排除是晶间腐蚀。

(3) 硫离子和氯离子是造成应力腐蚀的主要介质。氯离子的腐蚀性能非常突出、而硫离子的存在也可引起敏化态的不锈钢的晶间应力腐蚀。这两种介质的来源可能是周围装置环境或潮湿的海洋大气, 螺栓所处的工况条件为-26℃左右, 螺栓表面结霜, 容易在法兰的连接面间隙处形成腐蚀环境, 因此造成在螺栓杆中部的应力腐蚀。

图6　裂纹断口微观形貌(3)

图5　裂纹断口微观形貌(2

)

7　结论

本次连接螺栓失效为晶间型的应力腐蚀导致断裂失效。失效的螺栓的材料含碳量高, 如热处理不当, 则容易造成此类晶间应力腐蚀。可以通过对同批且在类似工况下的螺栓进行抽检, 确定该螺栓的应力腐蚀失效是否是个例情况。

为避免类似的连接螺栓的应力腐蚀产生, 可采取措施避免形成含氯、硫介质的腐蚀环境。比如对该处进行外保护, 如进行冷保温或在螺栓杆涂上环氧漆, 避免腐蚀介质进入等等。选用其他高级别的材料, 如超低碳不锈钢、高镍不锈钢等。

在断口上进行了腐蚀产物的能谱分析, 见表2。

表2　腐蚀产物的能谱分析结果

元素C O Al Si S

Wt %2. 4516. 550. 820. 471. 72

At %7. 3937. 441. 090. 611. 95

元素Cl C r Fe Ni

W t %0. 4618. 0257. 362. 14

At %0. 4712. 5537. 181. 32

根据能谱分析可以得知, 腐蚀产物中含有S

(1. 72%) 和Cl (0. 46%), 由于存在氯离子, 因此进一步论证了裂纹为沿晶型的应力腐蚀裂纹。另外腐蚀产物中存在较多的S , 当S 离子和C l 离子同时作用下, 将加速不锈钢应力腐蚀裂纹的产生和扩展。

参考文献

[1]　陆世英, 王欣, 李丕钟, 等. 不锈钢应力腐蚀事故分析与耐应力

腐蚀不锈钢[M ]. 原子能出版社, 2002

[2]　隋永礼, 陈派明, 韩顺昌. 高强螺栓断裂分析原因分析[J ]. 材

料开发与应用, 1995, 10(4), p 26～31

[3]　中国石油化工设备管理协会设备防腐专业组. 石油化工装置设

备腐蚀与防护手册[M ]. 中国石化出版社, 1996

[4]　卢绮敏, 等. 石油工业中的腐蚀与防护[M ]. 化学工业出版社,

2001

[5]　林师焱, 耿文范, 易邦旺. 石油加工腐蚀及耐蚀钢[M ]. 冶金工

业出版社, 1991

[6]　美国腐蚀工程师协会. 腐蚀与防护技术基础[M ]. 冶金工业出

版社, 6　综合分析

根据化学成分分析、金相分析以及断口的宏、微观分析, 可以确定本次螺栓失效为晶间型的应力腐蚀导致断裂失效, 具体分析如下:

(1) Cr -Ni 奥氏体不锈钢的晶间型应力腐蚀, 目前的主要见解有:在应力作用下, 不锈钢晶界贫铬区的选择性溶解; 在应力作用下, 不锈钢中杂质沿晶界偏聚而引起的优先溶解; 在应力作用下, 不锈钢中晶界沉淀相本身的溶解等。

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