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局部腐蝕如何導(dǎo)致石化重催裝置安全閥彈簧斷裂？讓我們一起來(lái)看看吧！

2019-03-08 12:01:48 作者：張輝來(lái)源：《理化檢驗(yàn)—物理分冊(cè)》分享至：

背景

廣州某石化廠重催裝置使用的安全閥異常起跳，迫使整套裝置非計(jì)劃停機(jī)，經(jīng)拆卸檢查發(fā)現(xiàn)安全閥彈簧多處斷裂。

使用情況

已知安全閥型號(hào)為A42YＧ40，公稱通徑為DN100mm，材料不明，工作介質(zhì)為氣態(tài)烴（干氣），工作壓力為1.66MPa，工作溫度為300℃。該重催裝置自1990年投入運(yùn)行至今未發(fā)生其余異常情況。

理化檢驗(yàn)

01宏觀檢查

宏觀檢查發(fā)現(xiàn)，安全閥彈簧斷裂成5段，形成4對(duì)斷口，如圖1所示。

圖1 斷裂彈簧宏觀形貌

其中斷口A位于安全閥遠(yuǎn)離介質(zhì)端，另外3個(gè)斷口（B，C，D）位于安全閥近介質(zhì)端。從斷口宏觀形貌可見(jiàn)，4個(gè)斷口均表面齊整，未見(jiàn)明顯塑性變形，其中：斷口A處彈簧內(nèi)弧面附近有一橢圓形區(qū)域表面腐蝕比較嚴(yán)重，斷口棱線指向該區(qū)域，可以判斷該區(qū)域?yàn)榱鸭y緩慢擴(kuò)展區(qū)，見(jiàn)圖2；斷口B表面腐蝕嚴(yán)重，彈簧內(nèi)弧面附近區(qū)域的腐蝕程度比外弧面附近的要嚴(yán)重，見(jiàn)圖3；斷口C同樣從內(nèi)弧面附近向外弧面呈放射狀擴(kuò)展，見(jiàn)圖4。

圖2 A2斷面形貌

圖3 B1斷面形貌

圖4 C2斷面形貌

02化學(xué)成分分析

對(duì)斷裂彈簧取樣使用直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）％

由表1可以看出，彈簧的化學(xué)成分與GB/T 1222-2007《彈簧鋼》中的50CrVA鋼成分最為接近，符合該材料的成分要求。

03硬度測(cè)試

抽取斷裂彈簧A2斷面附近橫截面、C1斷面附近橫截面以及2段非斷面處橫截面進(jìn)行硬度測(cè)試。

表2 硬度測(cè)試結(jié)果

HBW10/3000

由表2可見(jiàn)：A2斷面附近橫截面硬度平均值約為497HBW 10/3000，C1斷面附近橫截面硬度平均值約為514HBW 10/3000，非斷面處橫截面硬度平均值約為423HBW 10/3000，可見(jiàn)彈簧斷面處的硬度比非斷面處的要高。

04金相檢驗(yàn)

對(duì)A2斷面附近橫向截面取樣進(jìn)行金相分析可見(jiàn)，彈簧的顯微組織為回火馬氏體，外表面附近局部存在偏析，見(jiàn)圖5。

圖5 A2斷面附近橫截面顯微組織形貌

對(duì)A2斷面附近縱向截面取樣進(jìn)行金相分析可見(jiàn)，A2斷面中部的顯微組織主要為纖維狀馬氏體，其中A2斷面內(nèi)側(cè)橢圓形區(qū)域（裂紋緩慢擴(kuò)展區(qū)）存在一定數(shù)量的裂紋，見(jiàn)圖6。

圖6 A2斷面縱向截面起裂區(qū)低倍組織形貌

對(duì)裂紋處進(jìn)行局部放大觀察可見(jiàn)，裂紋為沿晶擴(kuò)展，見(jiàn)圖7。

圖7 A2斷面縱向截面裂紋處顯微組織形貌

05斷口掃描電鏡分析

由圖8可知，A2斷口分為兩個(gè)明顯的區(qū)域，彈簧內(nèi)弧面附近有一塊相對(duì)平整的橢圓形區(qū)域，其余為外側(cè)放射狀區(qū)域；斷面內(nèi)側(cè)平整區(qū)域基本被腐蝕產(chǎn)覆蓋，見(jiàn)圖9；外側(cè)放射狀區(qū)域腐蝕產(chǎn)物相對(duì)較少，斷口相對(duì)新鮮，斷口呈沿晶斷裂特征，見(jiàn)圖10。

圖8 A2斷面SEM低倍形貌

圖9 A2斷面內(nèi)側(cè)平整區(qū)SEM形貌

圖10 A2斷面外側(cè)放射狀區(qū)域SEM形貌

B2斷口表面基本被腐蝕產(chǎn)物覆蓋，表面呈泥狀花樣，見(jiàn)圖11。C1和D1斷面紋理呈放射狀，斷口表面亦基本被腐蝕產(chǎn)物覆蓋，與B2斷面形貌特征相似。

圖11 B2斷面SEM形貌

06能譜分析

對(duì)A2，B2，C1，D1斷口表面腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜（EDS）分析。

表3 能譜分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

由表3可見(jiàn)，斷口表面物質(zhì)主要元素成分為碳、氧、硫、鉻、錳、鐵；A2斷面內(nèi)側(cè)橢圓形區(qū)域的硫和氧元素含量明顯高于外側(cè)放射狀區(qū)域的，據(jù)此可進(jìn)一步判斷，內(nèi)側(cè)橢圓形區(qū)域?yàn)榱鸭y緩慢擴(kuò)展區(qū)（舊斷口），外側(cè)放射狀區(qū)域?yàn)樾聰嗫凇?/span>

07X射線衍射分析

對(duì)彈簧A2斷面表面覆蓋的腐蝕產(chǎn)物取樣，使用X射線衍射儀（XRD）進(jìn)行分析。結(jié)果表明：斷口表面覆蓋物主要組成成分為FeS，說(shuō)明工作介質(zhì)中含有H2S，據(jù)此可判斷彈簧發(fā)生了H2S腐蝕，見(jiàn)圖12。

圖12 斷口表面覆蓋物XRD譜

綜合分析

安全閥工作的介質(zhì)氣態(tài)烴中含有一定體積分?jǐn)?shù)的H2S，由于彈簧起跳等原因，導(dǎo)致高溫干汽中的H2S在安全閥殼體內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間滯留，在由高溫冷卻的過(guò)程中會(huì)凝結(jié)少量空氣中的水分，形成濕H2S還原性氣氛，在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行后彈簧表面的鍍鋅防腐層會(huì)遭到腐蝕環(huán)境的破壞，即濕H2S對(duì)彈簧基體產(chǎn)生腐蝕。能譜分析和X射線衍射分析結(jié)果表明，彈簧表面和斷口表面均存在含硫的腐蝕產(chǎn)物（FeS），說(shuō)明該彈簧已經(jīng)遭受了長(zhǎng)時(shí)間的H2S腐蝕。在濕H2S環(huán)境中，H2S腐蝕陰極反應(yīng)釋出氫原子，氫與拉應(yīng)力共同作用，在彈簧表面偏析和夾雜物區(qū)域富集而導(dǎo)致開(kāi)裂。

彈簧鋼屬于中碳鋼，斷面處顯微組織為馬氏體，強(qiáng)度較高，硬度偏大，是應(yīng)力腐蝕的敏感區(qū)，較容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。同時(shí)，由于彈簧服役時(shí)存在較高的剪切應(yīng)力，在這些載荷和H2S環(huán)境的共同作用下，彈簧表面逐漸形成應(yīng)力腐蝕裂紋（SCC），裂紋不斷擴(kuò)展，當(dāng)彈簧剩余截面的強(qiáng)度小于其所承受的載荷時(shí)，便會(huì)發(fā)生最終的脆性斷裂。

結(jié)論及建議

彈簧服役時(shí)表面鍍鋅層發(fā)生局部腐蝕，使彈簧鋼基體暴露在服役環(huán)境中，加之彈簧斷裂區(qū)顯微組織為脆性較大的馬氏體，在濕H2S環(huán)境和較高的剪切應(yīng)力作用下，彈簧發(fā)生了沿晶應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。為避免再次發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，應(yīng)保持彈簧鋼表面鍍鋅層的完好，隔絕環(huán)境氣體同金屬的直接接觸，盡量降低彈簧鋼內(nèi)部夾雜物的含量，嚴(yán)格執(zhí)行熱處理工藝，并保持安全閥密封面完好。

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責(zé)任編輯：韓鑫