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    浮头式热交换器浮头管板螺栓断裂原因分析及改进.pdf

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    浮头式热交换器浮头管板螺栓断裂原因分析及改进.pdf

    第43卷增刊1 2O14年8月 石油化工设备 PETRO CHEMICAL EQUIPMENT Vo1.43 Supplement 1 Aug.2014 文章编号100074662014增刊1 006904 浮头式热交换器浮头管板螺栓断裂原因分析及改进 陈彩霞,赵青 江苏省特种设备安全监督检验研究院国家元件中心,江苏南京 211l78 摘要通过扫描电镜观察、硬度测试、化学成分分析及金相检验等方法分析了浮头式热交换器浮头 管板连接螺栓的断裂失效原因。结果表明,硫化物应力腐蚀开裂、氢致开裂和螺纹加工产生应力集 中、材料硬度不满足湿硫化氢介质中的使用要求是螺栓断裂的主要原因。 关键词浮头式热交换器;螺栓;H S;硫化物应力腐蚀;氢致开裂 中图分类号TQO51.5O1 文献标志码B doi10.3969/.issn.10007466.2014.s1.021 Cause Analysis and Improvement of Fracture Bolts on the Pipe Plate of Floating Head Type Heat Exchanger CHEN Caixia,ZHAO Qing J iangsu Province Special Equipment Safety Supervision Inspection Institute,Nanjing 211178,China AbstractFracture analysis of the bolts on the pipe plate of floating head type heat exchanger was conducted by means of scanning electron microscopySEM,energr dispersive spectrometer EDS,hardness test,chemical analysis and metallographic examination etc.The results showed that the sulfide stress corrosion crackingSSCCand hydrogen induced crackingHICis the main reason for the bolts fracture.The thread processing stress concentration,the mismatch be tween the H2 S medium on the material hardness requirements and the used material finally caused the bolts fracture. Key wordsfloating head type heat exchanger;bolt;H2 S;SSCC;HIC 某厂浮头式热交换器在投用4 d后因设备泄漏 而停车检修,拆开后发现浮头管板中2O根螺栓有 15根断裂。为分析这些螺栓的断裂原因,笔者采用 化学成分分析、硬度检测、宏观形貌分析、微观组织 及腐蚀产物分析等方法,结合螺栓的运行工况,对该 螺栓断裂的原因进行分析,以便为后续螺栓的选用 提供理论依据。 l 螺栓及其运行工况 该浮头式热交换器介质为H。s瓦斯气轻 烃/循环水壳程/管程,H S体积分数为0.2 热 交换器设计数据表显示壳程H s的体积分数大约 为4.5%,壳程的工作温度为4O~55℃,工作压力 为1.2~1.4 MPa。其浮头管板螺栓按照JB/T 4707--2000{等长双头螺柱制造生产 ,螺栓材质 为35CrMoA,规格为M24200,8.8级,为调质状 态使用。 2螺栓断裂原因分析 2.1 化学成分分析 从断裂的螺栓中选取3根制备成试样1、试样 2及试样3,然后采用红外碳硫仪、X射线荧光光谱 仪对3个试样的材质进行化学成分分析,具体结 果见表1。由表1可以看出,该螺栓材质化学成分 收稿日期2O14 O31O 作者简介陈彩霞1981一,女,江苏江都人,工程师,硕士,从事特种设备安全检验的理化检测和失效分析工作。 ‘7 石油 化工设备 2014年第43卷 试样编号 元素 C Si Mn S ≤0.025 0.005 3 0.005 2 0.O05 3 2.2 硬度检测 文献[1]虽然未对螺栓硬度做出要求,但考虑到该 批螺栓应川在H。S介质环境下,有必要进行硬度检测。 采』1j硬度计对螺栓进行洛氏硬度检测,结果为 34.5HRC.叫显高出文献[2]埘35CrMoA钢退火或高 温 火供货的硬度要求229HBw约21.0 HR 。 按照NACE Standard RP0472 2005美 腐 蚀 程师 会推荐标准、以及Is15156-2 2009 PelroleH,月“nd N f,“, “, “ Industries Ma,P,一ials ,or Use in H 2 ’onlailring Environments in Oil “nd;“ ProductionPart 2Crackingresista 7zt ’“r[oll“,“,L07.LAlh,v Steels,and the Use 0,’、“st IrolS的规定,碳铡干低合金铡在H。s环境下,其硬 度值应严格限制在22HRC237HBW以下 。Cr Mo钢硬度要求相同。 2.3 宏观形貌 断裂后螺栓的断口表面被黄褐色的浮锈层覆 盖,看不清断口的真实形貌。戡取试样,采用超声波 清洗,1o 稀盐酸溶液煮沸,去除表面的腐蚀产物后 螺栓的宏观形貌 图l。山图1町见,亚临界稳态 扩展形成的扩展 平面基本垂直于螺栓轴向,扩展 区无二次裂纹。瞬时断裂区断口较平整,l尢明显的 塑性变形痕迹,呈脆性断裂特征。裂纹有源于螺纹 牙顶和牙根的,也有源于螺栓内部的图1 。 用扫描电镜刈‘3个螺栓断口进行低倍观察,口『 ;I 样1 b1试样2 ㈩ 样3 1螺栓断【J宏观形貌 以看剑裂纹源位置依次为试样1在牙顶部图2a、 螺栓断口上分别取横向剖面和纵向剖面的金相样 试样2在牙根部 2b、试样3在内部图2c和牙 品,观察其显微组织和非金属夹杂。试样l的金相 顶部图2d,这个结果 宏观检查的结果一致。由 检验结果见图3。从图3中可以看出,试样1的显 f螺纹成型过程中会在螺纹牙顶和牙根形成局部应 微组织为回火索氏体组织图3a,这种组织具有较 力集t_}】,在螺栓预紧或工作状态中,应力集中处的应 高的抗硫化物应力腐蚀性能 J。其非金属夹杂结果 l』J与成型过程中的应力叠加。易超出其屈服强度形 为存在2级D类球状氧化物图3b,未发现硫化物 成微裂纹,成为裂纹源。 夹杂,组织正常。试样2和试样3的显微组织和非 2.4 微观分析 金属夹杂结果与试样l的结果一样。 2.4.1 金相检验 2.4.2 断口形貌及微区成分分析 采用金相显微镜观察螺栓材料的金相组织。从 利用扫描电镜对螺栓断口进行高倍观察,结果 2 l 2 3 一 石油化工设备 2014年第43卷 2.5 螺栓断裂原因讨论及结果 H s酸性溶液是强烈的致氢环境介质,因为 S 一的存在会大幅增加阴极极化程度,析出的氢原 子,容易在钢材的非金属夹杂、空位、间隙及缺陷等 处聚集形成氢分子,而存在于钢组织内部的氢分子 很难逸出,可在材料内部产生很高的压力,形成表面 层下的平面孔穴结构,即氢鼓包。氢鼓包是氢致开 裂HIC的一种 。 另一方面,在拉伸状态下,会发生夹杂物破裂, 或者夹杂物与基体脱离,形成微孔,微孔可在拉应力 作用下不断长大并连接造成断裂。 该批螺栓发生腐蚀断裂的主要原因为 1介质为硫化氢气体,一旦环境中含有水,就 会形成湿硫化氢腐蚀环境,为应力腐蚀创造了介质 条件 。 2螺纹加工过程中易引起的应力集中和预紧 过程中产生的拉应力为应力腐蚀产生的力学条件。 螺栓材料为35CrMoA,螺栓经热处理后的硬度超过 22HRC,在湿硫化氢的环境下,易引起硫化物应力 腐蚀和氢致开裂现象。 综上所述,螺栓的断口形貌为脆断,并具有 H s腐蚀断裂以及氢鼓泡失效的断口特征。由于 螺纹在加工过程中会在螺纹牙顶和牙根形成局部应 力集中,采用35CrMoA材料制造的螺栓硬度超过 22HRC,在H s介质环境下,发生了硫化物应力腐 蚀与氢致开裂现象。 3 结语 对于湿硫化氢介质下使用的螺栓,需要注意以 下问题 1介质为湿硫化氢时,在强度允许的条件下更 换螺栓材质,应选择硬度22HRC以下的材料制造 螺栓,以减小硫化物应力腐蚀和氢致开裂的倾向。 2明确采购时的技术要求和产品检测执行力 度以及有效性,螺栓经热处理后,应逐个检验螺栓的 硬度,其硬度值必须严格限制在22HRC237HBw 以下。 3螺栓的螺纹机加工后,应进行去应力处理, 以降低应力集中的可能性。 参考文献 [1]JB/T 4707 2000,等长双头螺柱[s] JB/T 4707--2000,Stud Bolts[S]. [2]GB/T 3077--1999,合金结构钢[sJ. GB/T 3O771999。Alloy Structure Steels[S]. r3] IS0 15156-22。09,Petroleum and Natural Gas In dustriesMaterials for Use in H2 S-containing Environ ments in Oil and Gas Production-Part 2Crackingre sistant Carbon and Low Alloy Steels,and the Use of Cast Irons rS]. E4] 肖纪美.应力作用下的金属腐蚀[M].北京化学工 业出版社,1990. XIA0 jimei.Metal Corrosion at the Effect of Stress [M].BeijingChemical Industry Press,1990. [53熊生勇,徐仕利,权容,等.浮头式换热器内浮头螺栓在 湿H s环境下的材质选用探讨[J].石油与天然气化 工,2O1o增刊5052. XIONG Shengyong,XU Shi li,QUAN Rong,et a1. Study on Selection of Floating Head Heat Exchanger Floating Head Bolts in the Wet H2 S Environment Ma terial[J].Chemical Engineering of Oil&Gas,2010, S5052. [6] 丁毅,陆晓峰,顾伯勤,等.螺栓在HzS介质中的断 裂失效原因分析[J].压力容器,2001,18456 58. DING Yi,LU Xiaofeng,GU Boqin,et a1.Fracture Analysis on the Fracture of Bolts in H2 S Medium[J]. Pressure Vessel Technology,200l,18456-58. [7] 何家胜,崔好选,朱晓明,等.螺栓35CrMoA在湿 Hzs环境中应力腐蚀试验研究[J].压力容器,2007, 24219-23. 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