(中國石油 大連石化公司，遼寧 大連 116011)

某石化公司煤柴油加氫裝置的設(shè)計壓力為10.0 MPa，設(shè)計溫度為225 ℃，工作壓力為6.7 MPa，操作溫度為190 ℃，介質(zhì)為蒸汽。該加氫裝置中熱高分吹掃蒸汽線閥門大蓋法蘭上有4個螺栓，螺栓材質(zhì)均為B7，規(guī)格為M16。該閥門在裝置正常生產(chǎn)時處于常閉狀態(tài)，只有在裝置停工、系統(tǒng)吹掃時才開啟使用。由于承受壓力較高，操作條件波動比較大，吹掃時有1個螺栓突然發(fā)生斷裂[1](圖1)，大量蒸汽泄漏，給裝置的停工處理帶來了極大風(fēng)險。

筆者對斷裂失效的高壓螺栓進(jìn)行各項檢驗，以分析斷裂原因和影響因素。

圖1 斷裂螺栓示圖

1 高壓斷裂螺栓檢驗

1.1 宏觀檢查

宏觀檢查發(fā)現(xiàn)斷裂螺栓表面附著有黑色產(chǎn)物，質(zhì)地致密，難以清理。螺栓斷裂于螺紋部位，斷口平整，存在金屬顆粒及擴(kuò)展條紋[2]。

1.2 化學(xué)成分分析

根據(jù)GB/T 223—2008《鋼鐵及合金化學(xué)分析方法》[3]對該斷裂螺栓送檢試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。從表1看出，除Mn元素外，螺栓化學(xué)成分符合ASTM A 193/ A 193M—2005《高溫用不銹鋼和合金鋼螺栓材料》[4]中材料B7的要求。

表1 斷裂螺栓送檢試樣化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

1.3 顯微組織分析

1.3.1非金屬夾雜物

取螺栓縱截面為檢驗面，依據(jù)GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定——標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗法》[5]的規(guī)定進(jìn)行非金屬夾雜物測定，測得螺栓非金屬夾雜物級別為A1.0[5-6]。

1.3.2金相組織

共制作2個金相組織分析試樣，1#試樣以螺栓橫截面為檢驗面，2#試樣以螺栓縱截面為檢驗面。依據(jù)GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》[7]的規(guī)定，將試樣機(jī)械拋光，并采用體積分?jǐn)?shù)4%的硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕。

1#試樣的金相組織見圖2，可見螺栓邊緣存在脫碳，金相組織為鐵素體+回火索氏體[8]。螺栓芯部金相組織為回火馬氏體。

圖2 1#試樣金相組織

2#試樣腐蝕前后螺紋頂部裂紋金相組織見圖3，不同部位金相組織見圖4。

圖3 腐蝕前后2#試樣螺紋頂部裂紋金相組織

圖4 2#試樣不同部位金相組織(200×)

從圖3和圖4可以看出，2#試樣螺紋頂部的金相組織為鐵素體+回火索氏體，存在著裂紋以及脫碳層，裂紋的長度大約為500 μm，裂紋沿晶擴(kuò)展，脫碳層厚度大約為453 μm。螺紋底部的金相組織為回火索氏體+鐵素體。螺紋面的金相組織為回火索氏體。

1.4 硬度測定

依據(jù)GB/T 4340.1—2009《金屬材料維氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》[9]的規(guī)定，對失效螺栓螺紋、芯部分別取樣進(jìn)行硬度測定，測得螺紋硬度為39.9、35.6、45.1 HRC，芯部硬度為51.4、53.3、54.3 HRC，螺栓硬度值均高于文獻(xiàn)[4]中材料B7硬度不大于35 HRC的要求。

1.5 斷口形貌分析

將失效螺栓進(jìn)行超聲波清洗，螺栓斷面露出金屬基體，斷口平整，無明顯塑性變形，呈脆性斷裂特征[10]，螺栓啟裂于螺紋部位(圖5)。

采用掃描電鏡對螺栓斷口不同區(qū)域表面垢物進(jìn)行微觀形貌觀察，螺栓A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)均呈準(zhǔn)解理特征[11]，其中B區(qū)韌窩較多(圖6)。斷裂起源于螺紋表面，呈沿晶+韌窩擴(kuò)展，最終斷裂部位為螺栓芯部，呈韌窩特征。

圖5 螺栓斷口宏觀形貌

圖6 螺栓斷口表面垢物形貌

2 高壓螺栓斷裂原因

螺栓加工次序不合理和熱處理不當(dāng)是導(dǎo)致螺栓開裂的原因。

一般對螺栓是先進(jìn)行成型處理，然后再進(jìn)行熱處理。而在熱處理過程中，有時會從熱處理爐外帶進(jìn)一些氧化氣體，另外棒料上的鐵銹或者冷拔之后原料表面的殘留物在入爐之前未進(jìn)行有效的清理，加熱后也會分解，反應(yīng)生成一些氧化性氣體，導(dǎo)致螺紋表面金屬脫碳，形成鐵素體[12-14]。而熱處理的回火溫度偏低，會在螺栓芯部形成回火馬氏體組織[15-19]，造成螺栓芯部硬度偏高，在承受較大應(yīng)力時螺栓容易發(fā)生斷裂。

3 結(jié)語

對煤柴油加氫裝置中熱高分吹掃蒸汽線閥門大蓋法蘭螺栓在吹掃時發(fā)生斷裂的原因進(jìn)行了分析，認(rèn)為螺栓加工次序不合理和熱處理不當(dāng)是導(dǎo)致螺栓斷裂的原因。

建議對高強(qiáng)度緊固螺栓按照上料-清理-加熱-淬火-清理-回火-檢驗的順序進(jìn)行加工，在熱處理過程中應(yīng)使用帶有保護(hù)氣氛的連續(xù)式熱處理生產(chǎn)設(shè)備，該類設(shè)備密封性能好，可自動控制氣氛、溫度和工藝參數(shù)，能夠有效保證熱處理質(zhì)量。此外，對生產(chǎn)好的成品應(yīng)按批次進(jìn)行抽查檢驗，保證螺栓產(chǎn)品出廠質(zhì)量。

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