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        催化裂化裝置滑閥螺栓斷裂失效分析

        2022-03-22 02:34:14湯東征馬晶晶湯鵬杰
        石油化工設(shè)備技術(shù) 2022年2期
        關(guān)鍵詞:滑閥碳化物晶界

        湯東征,馬晶晶,張 勇,湯鵬杰

        (1.揚子石化-巴斯夫有限責(zé)任公司,江蘇 南京 210048;2.中國石油化工股份有限公司金陵分公司,江蘇 南京 210033;3.南京金創(chuàng)有色金屬科技發(fā)展有限公司,江蘇 南京 211178)

        滑閥是目前催化裂化裝置廣泛應(yīng)用的一種特殊閥門,根據(jù)工藝可分冷壁滑閥和熱壁滑閥,其操作介質(zhì)通常為高溫催化劑顆?;蚋邷?zé)煔?。隨著生產(chǎn)工藝的優(yōu)化改進,操作介質(zhì)溫度不斷提高,熱壁滑閥逐漸被冷壁滑閥取代。冷壁滑閥主要由閥體、閥蓋、節(jié)流錐、閥座圈、閥板、導(dǎo)軌和閥桿等部件組成,內(nèi)設(shè)隔熱耐磨襯里【1-2】。

        某公司催化裂化裝置冷壁滑閥使用1年后,導(dǎo)軌螺栓發(fā)生斷裂,導(dǎo)致閥體導(dǎo)軌和閥板脫落,被迫非計劃停工,如圖1所示。該滑閥工作溫度700 ℃,工作壓力0.2 MPa,操作介質(zhì)為催化劑和再生空氣。螺栓材質(zhì)為GH4033高溫合金,規(guī)格為M22 mm×120 mm。為查明斷裂原因、確保安全生產(chǎn)、避免類似事故再次發(fā)生,對斷裂螺栓進行失效分析。

        圖1 脫落的閥板

        1 理化檢驗

        1.1 宏觀分析

        螺栓斷裂于螺紋根部,無明顯塑性變形,如圖2 所示。圖3所示為螺栓斷口宏觀形貌。由圖3 可見:斷口表面凹凸不平,呈高低起伏狀,具有脆性斷裂特征;表面覆有黑色氧化膜,為長時間在高溫環(huán)境下氧化所致。

        圖2 斷裂螺栓

        圖3 斷口形貌

        1.2 化學(xué)成分

        在遠(yuǎn)離斷口位置取樣進行光譜分析,測試數(shù)據(jù)見表1。結(jié)果表明:螺栓的化學(xué)成分滿足GB/T 14992—2005《高溫合金和金屬件化合物高溫材料的分類和牌號》對GH4033高溫合金的要求。

        表1 斷裂螺栓材料的化學(xué)成分 w,%

        1.3 顯微組織

        在螺栓斷口和遠(yuǎn)離斷口處取樣進行金相分析。結(jié)果顯示:螺栓顯微組織為孿晶奧氏體,晶粒度為1級,晶內(nèi)存在彌散的強化相,如圖4(a)所示;在靠近斷口位置發(fā)現(xiàn)微裂紋,沿奧氏體晶界擴展,有擴展連接趨勢,方向與斷面大致平齊,如圖4(b);斷口部位無明顯晶粒變形跡象,為沿晶斷裂特征。

        圖4 斷裂螺栓顯微組織

        1.4 斷口分析

        在掃描電鏡下觀察斷口微觀形貌,外表面和心部晶粒呈冰糖狀花樣,心部韌窩較大,存在少量的二次裂紋,如圖5(a)~圖5(b)所示。結(jié)合斷口宏觀和微觀特征以及金相分析,可以確定螺栓為沿晶脆性斷裂。

        圖5 微觀斷口形貌

        1.5 微觀分析

        在掃描電鏡(SEM)下觀察斷裂螺栓的微觀形貌發(fā)現(xiàn),奧氏體晶內(nèi)可見彌散的碳化物和強化相質(zhì)點,如圖6所示。對析出的強化相做能譜分析,數(shù)據(jù)顯示(見表2),彌散的碳化物主要是Cr23C6,強化相質(zhì)點主要為TiN。

        表2 能譜分析結(jié)果 w,%

        圖6 SEM微觀組織

        從微觀形態(tài)可以看出,斷口裂紋為孔洞型,具有蠕變開裂特征,如圖7所示。晶界滑動和擴散促進了孔洞連接、微裂紋的形成和擴展。

        圖7 蠕變裂紋

        2 原因分析

        該滑閥螺栓斷裂于螺紋根部,無明顯塑性變形,斷口表面粗糙,呈高低起伏狀,微觀斷口呈冰糖狀花樣,為沿晶脆性斷裂特征。斷口存在孔洞型沿晶裂紋,具有蠕變開裂特征。

        GH4033為沉淀強化型鎳基變形高溫合金,其以Ni、Cr元素為基,添加Al、Ti元素形成γ′(Ni3AlTi)和γ″(NixNb)強化相,在700~750 ℃具有足夠的高溫強度【3】。該滑閥螺栓服役1年即發(fā)生斷裂,壽命遠(yuǎn)低于設(shè)計要求。為此,在同一導(dǎo)軌上取1根同批次未斷裂螺栓進行光學(xué)顯微鏡(OM)和掃描電鏡(SEM)微觀組織分析,結(jié)果表明,未斷裂螺栓組織晶粒度明顯低于斷裂螺栓,大量碳化物沿奧氏體晶界呈鏈狀分布,晶內(nèi)存在彌散碳化物和強化相質(zhì)點。而斷裂螺栓的奧氏體晶界未見明顯的碳化物,僅有少量彌散的碳化物和強化相質(zhì)點。根據(jù)GH4033在高溫下的微觀組織演變規(guī)律及相關(guān)熱處理工藝【4-5】,認(rèn)為該斷裂螺栓供貨未達(dá)到質(zhì)保要求。正常供貨狀態(tài)的GH4033螺栓微觀組織形態(tài)應(yīng)為圖8(a)~圖8(b)所示的細(xì)晶奧氏體,大量富Cr碳化物沿晶分布,起細(xì)晶強化和晶界強化作用,加上晶內(nèi)碳化物的彌散強化作用,三者共同保證了GH4033作為高溫合金螺栓使用所需具備的高溫強度和蠕變強度。斷裂螺栓組織晶粒粗大,晶界富Cr碳化物量不足,未起到強化作用。相關(guān)研究【6】表明,富Cr碳化物沿晶分布能夠阻礙晶界滑移,但缺點是會導(dǎo)致界面結(jié)合強度降低,尤其在高溫下,當(dāng)溫度超過材料等強溫度時,晶界強度會低于晶內(nèi)強度,優(yōu)先在晶界處形成裂紋。

        圖8 未斷裂螺栓微觀組織

        螺栓作為閥板與導(dǎo)軌連接件,承受較大的軸向應(yīng)力,螺紋齒根部位由于其特殊形狀加上高溫合金所具有的缺口敏感性,易受到應(yīng)力集中影響【7】。該螺栓在700 ℃下長期服役,在奧氏體晶界產(chǎn)生蠕變空洞,空洞隨著變形不斷進行,逐漸長大、集聚形成微裂紋;同時閥板在軌道滑動時,螺栓也會承受較大的剪切應(yīng)力,剪切應(yīng)力和軸向應(yīng)力共同作用加速了微裂紋的連接和擴展,最終導(dǎo)致螺栓沿晶蠕變斷裂。

        3 結(jié)論與建議

        通過對斷裂螺栓進行理化檢驗,確定該滑閥螺栓斷裂原因為高溫蠕變。由于螺栓供貨狀態(tài)不符合質(zhì)保要求,顯微組織奧氏體晶粒粗大,僅有少量碳化物沿晶析出,弱化了細(xì)晶強化和晶界強化作用,導(dǎo)致螺栓蠕變強度下降。螺栓作為導(dǎo)軌與滑閥的連接件,長期高溫下服役,在拉應(yīng)力和剪切應(yīng)力作用下,發(fā)生了沿晶蠕變斷裂。

        建議提高螺栓品質(zhì),避免發(fā)生不符合質(zhì)量要求的螺栓服役使用的情況。同時,設(shè)備運行需嚴(yán)格工藝操作,避免滑閥在超溫狀態(tài)運行。

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