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某石化公司電站鍋爐,鍋爐冷凝器下降管線的一個節(jié)流閘閥的閥蓋緊固螺栓突然發(fā)生斷裂,造成大量蒸汽泄漏,造成緊急停工,更換了閥門。
冷凝器的介質(zhì)為108℃高溫水與200℃蒸汽混合,壓力大約36kg/cm2。失效閥門型號為JZ46W,規(guī)格DN50,2006年6月投入使用,使用周期接近四年半。閥門的閥蓋等部件未發(fā)現(xiàn)異常,只有閥蓋連接到閥體上的緊固螺栓發(fā)生了斷裂。
閥門的緊固螺栓為六角法蘭面型螺栓,4根緊固螺栓中的3根發(fā)生了斷裂,1根未發(fā)生斷裂。見圖1。
1、宏觀檢查
將4根螺栓從閥蓋中取出清洗,并進行宏觀檢查。螺栓斷裂部位不是在螺紋處,而是在螺栓的端帽根部。見圖2。從斷裂螺栓斷口表面可看出,灰暗色區(qū)域較大,比較新鮮的區(qū)域較小?;野瞪珔^(qū)域應(yīng)該是前期開裂后的斷口受到了氧化腐蝕,比較新鮮的區(qū)域應(yīng)該是這次突然斷裂的新斷口[圖2(a)]。螺栓的端帽部分應(yīng)該是鍛造成形??拷鼣嗫诘亩嗣蓖饩壊糠执嬖诙鄺l明顯的鍛造裂紋。見圖2(b)。
2、對螺栓斷口進行微觀檢測分析
將3個斷裂螺栓和1個斷裂端帽用超聲波清洗器反復(fù)清洗干凈,利用進口的掃描電鏡和能譜儀觀察分析4個斷口的表面微觀形貌,分析腐蝕產(chǎn)物成分。從斷口的微觀形貌可以看出,斷口大部分區(qū)域的微觀形貌均為沿晶特征,即裂紋是沿著晶界開裂的,屬于典型的脆性斷口。對斷口灰暗色區(qū)域進行200倍電鏡掃描,可以看出沿晶斷口的表面覆蓋了一層腐蝕產(chǎn)物,經(jīng)成分分析,腐蝕產(chǎn)物以氧化鐵為主,其中腐蝕產(chǎn)物中存在Cl元素和S元素。見圖3和圖4。
對斷口新鮮區(qū)域進行200倍電鏡掃描,斷口新鮮區(qū)域的很小部分的微觀形貌不是沿晶特征,而是韌窩特征,韌窩是正常塑性斷裂的斷口特征。這說明螺栓斷裂屬于延遲斷裂,即首先萌生裂紋,其次裂紋擴展,最后突然斷裂。
從螺栓端帽外緣區(qū)域的微觀形貌可以看出,螺栓鍛造成形工藝不規(guī)范,鍛造溫度較低,螺栓端帽部位墩粗變形量較大,從而產(chǎn)生較多的鍛造裂紋,而鍛造后也未進行二次加工以去除這些裂紋。
3、螺栓材質(zhì)成分檢測分析
從1個斷裂螺栓上取樣,利用直讀光譜儀和碳硫分析儀檢測分析螺栓的材質(zhì)成分。見表1。
常用于螺栓的不銹鋼材質(zhì)為1Cr17Ni7和1Cr18Ni9,但是按照國標GB/T1220-1992(不銹鋼的牌號和化學(xué)成分)標準,斷裂螺栓的材質(zhì)成分不符合1Cr17Ni7和1Cr18Ni9,而比較接近lCrl8Mn8Ni5N。但是,按照國標lCrl8Mn8Ni5N要求,斷裂螺栓的材質(zhì)成分中,含C量偏高,含Cr量偏低,這就大大降低了其耐蝕性能。
4、螺栓金相組織檢測分析
從斷裂螺栓截取2個試樣,用水砂紙對其預(yù)磨、精磨、研磨、拋光和王水溶液浸蝕,制備成金相試樣。利用金相顯微鏡對1個試樣金相組織進行檢測分析;另1個試樣用進口的掃描電鏡對其鍛造缺陷進行觀察分析。經(jīng)檢測,螺栓的金相組織為奧氏體,晶粒度評定等級為6級,組織比較粗大。
由螺栓的鍛造缺陷微觀形態(tài)可以看出,螺栓的表面和內(nèi)部均發(fā)現(xiàn)較大的鍛造裂紋和夾雜物,而且斷口和裂紋附近均發(fā)現(xiàn)明顯的沿晶開裂形態(tài),這說明螺栓的沿晶開裂主要與鍛造缺陷有關(guān)。
5、螺栓斷裂原因分析及對策
經(jīng)過上述檢測分析可知,閥門螺栓失效部位處于端帽根部,失效性質(zhì)屬于脆性延遲斷裂,斷口類型為沿晶特征。
(1)經(jīng)過檢測分析,可見為閥門原始制造過程中,廠家對配件把關(guān)不嚴,沒有重視配件質(zhì)量,導(dǎo)致使用過程中閥蓋螺栓出現(xiàn)斷裂,導(dǎo)致停工。針對閥門螺栓的斷裂問題,立即開展排查,對同廠家閥門進行了更換,同時吸取教訓(xùn),加強到貨閥門的質(zhì)量檢查,對關(guān)鍵部位的閥門配件進行抽檢,確保使用過程的安全可靠。
(2)螺栓斷裂的主要原因為螺栓存在材質(zhì)缺陷,具體表現(xiàn)為:①螺栓的材質(zhì)成分不符合國標要求,含C量偏高,含Cr量偏低,降低了其耐晶間腐蝕性能;②螺栓的端帽鍛造成形工藝不規(guī)范,鍛造的溫度偏低,造成端帽根部產(chǎn)生鍛造裂紋等缺陷;③螺栓鍛后未進行熱處理,端帽根部存在殘余應(yīng)力,并且冷卻時晶界析出含鉻碳化物,造成晶界弱化,容易發(fā)生沿晶開裂。
螺栓斷裂的次要因素為環(huán)境溫度波動和介質(zhì)腐蝕因素,具體表現(xiàn)為:閥門經(jīng)受的溫度波動造成螺栓產(chǎn)生熱疲勞應(yīng)力,加速裂紋萌生和擴展。