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        40Cr浮頭螺栓斷裂原因分析

        2022-10-16 16:37:24湯鵬杰王曉霞
        失效分析與預(yù)防 2022年4期
        關(guān)鍵詞:氫致浮頭硫化氫

        湯鵬杰 , 侍 界 , 王曉霞

        (南京金創(chuàng)有色金屬科技發(fā)展有限公司,南京 211178)

        0 引言

        在濕硫化氫環(huán)境下服役的設(shè)備容易發(fā)生腐蝕開裂,一類是與應(yīng)力無關(guān)的氫鼓泡(HB)和氫致開裂(HIC),另一類則是硫化物導(dǎo)致的應(yīng)力腐蝕開裂(SSCC)和應(yīng)力導(dǎo)向氫致開裂(SOHIC)[1]。SSCC是破壞性和危害性最大的一種腐蝕形式,該現(xiàn)象最早是在含S的油、氣等生產(chǎn)環(huán)境中發(fā)現(xiàn)的。據(jù)報道,20世紀(jì)40年代末,美國和法國在開發(fā)含H2S的酸性油氣田時,發(fā)生了大量與H2S有關(guān)的腐蝕失效事故。90年代初,美國石油學(xué)會(API)和腐蝕工程師協(xié)會(NACE)對長期在濕硫化氫環(huán)境服役的壓力容器進(jìn)行了數(shù)次檢驗,發(fā)現(xiàn)約25%的受檢容器都存在腐蝕裂紋。我國“九五”攻關(guān)課題《在役重要壓力容器使用情況調(diào)查分析》對中石化集團(tuán)下屬35家企業(yè)總計54 346臺壓力容器進(jìn)行了檢驗,發(fā)現(xiàn)相當(dāng)一部分容器發(fā)生了腐蝕或應(yīng)力腐蝕失效,占失效容器總數(shù)的70%以上,其中由硫化物引起的腐蝕尤為嚴(yán)重[2-3]。

        氨精餾裝置浮頭式換熱器緊固螺栓使用不到2 a時發(fā)生斷裂,導(dǎo)致?lián)Q熱器出現(xiàn)內(nèi)漏。該換熱器殼程進(jìn)口壓力為1.47 MPa,出口壓力為1.60 MPa,進(jìn)口溫度為158 ℃,出口溫度為177.7 ℃,介質(zhì)為氨水(含H2S)。管程進(jìn)口壓力為1.00 MPa,出口壓力為1.35 MPa,進(jìn)口溫度為280 ℃,出口溫度為184 ℃,介質(zhì)為1.00 MPa蒸汽。螺栓材質(zhì)為40Cr,規(guī)格為M36 mm×340 mm,要求進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。浮頭式換熱器的管束兩端管板有一端不與殼體相連,沿管長方向可自由浮動。緊固螺栓在工作過程中主要承受拉應(yīng)力作用。浮頭結(jié)構(gòu)及螺栓受力示意圖見圖1。本研究通過理化檢驗確定螺栓的斷裂機(jī)制,分析斷裂原因并提出改進(jìn)意見,對氨精餾裝置安全、穩(wěn)定運(yùn)行具有積極意義。

        圖1 換熱器浮頭結(jié)構(gòu)及螺栓受力示意Fig.1 Schematic diagram of floating head structure of heat exchanger and force on bolt

        1 試驗過程與結(jié)果

        1.1 宏觀觀察

        失效螺栓宏觀形貌如圖2所示。螺栓斷裂于中部光桿部位,無明顯宏觀塑性變形。兩端牙槽內(nèi)可見黑色腐蝕物,不易脫落。光桿部位覆有白色結(jié)晶狀物質(zhì),應(yīng)為換熱器內(nèi)漏后殼程介質(zhì)和管程介質(zhì)混合濃縮所形成。在斷口側(cè)面可見多條二次裂紋(圖2箭頭處),呈撕裂狀,推測螺栓開裂起源于外壁,斷裂并非單一裂紋擴(kuò)展所致。

        圖2 斷裂螺栓外觀形貌Fig.2 Appearance of broken bolt

        1.2 化學(xué)成分分析

        在螺栓頭部取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果見表1。由表1可知,螺栓材質(zhì)合格,化學(xué)成分符合GB/T 3077—2015對40Cr的要求。

        表1 化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%)Table 1 Chemical composition (mass fraction /%)

        1.3 硬度測試

        在斷口下側(cè)垂直于軸線處取樣,對螺栓橫截面進(jìn)行硬度測試,測試分布及結(jié)果見圖3、表2。結(jié)果表明,螺栓外表面硬度較高,最高值達(dá)HRC 27.1;心部硬度略有下降,最低值為HRC 23.2。螺栓的整體硬度值明顯高于GB/T 3077—2015對40Cr合金鋼的技術(shù)要求(HRC 20.7)。

        表2 硬度測試結(jié)果Table 2 Results of hardness test

        圖3 硬度測試分布圖Fig.3 Hardness test point distribution

        1.4 金相檢驗

        垂直于斷口將螺栓沿軸線剖開,采用光學(xué)金相顯微鏡觀察斷口附近縱截面的顯微組織,結(jié)果如圖4所示。螺栓顯微組織為保持馬氏體位向的回火索氏體,索氏體上分布小顆粒狀滲碳體,鐵素體沿原奧氏體晶界網(wǎng)狀析出。對比金相圖譜可知,斷裂螺栓顯微組織與40Cr正常調(diào)質(zhì)組織有差異,這與調(diào)質(zhì)處理的溫度和保溫時間有關(guān)[4]。

        圖4 斷裂螺栓顯微組織Fig.4 Microstructure of broken bolt

        在斷口附近可見較多呈樹枝狀分叉形貌的裂紋,該裂紋尖端尖銳,符合應(yīng)力腐蝕開裂的特征(圖5a)。除斷口外,在螺栓外壁也發(fā)現(xiàn)樹枝狀裂紋,主裂紋方向與螺栓軸線垂直。從裂紋位置和擴(kuò)展形態(tài)判斷,螺栓開裂應(yīng)起源于外壁,且斷面并非螺栓唯一開裂源(圖5b)。在斷口下側(cè),樹枝狀裂紋附近可見若干階梯狀裂紋,局部已與樹枝分叉連接交匯,具有氫致裂紋特征(圖5c),說明螺栓發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的同時,也產(chǎn)生由氫擴(kuò)散導(dǎo)致的氫致裂紋。

        圖5 斷口縱截面裂紋Fig.5 Cracks in longitudinal section of fracture

        腐蝕后的試樣不同部位裂紋微觀形貌如圖6所示。裂紋擴(kuò)展主要以穿晶為主,局部位置可見沿晶開裂特征。

        圖6 裂紋微觀形貌Fig.6 Microscopic appearance of cracks

        1.5 斷口分析

        圖7為螺栓斷口宏觀形貌,可見斷口表面較為平整,無明顯宏觀塑性變形,為脆性斷裂特征。在掃描電鏡下觀察斷口微觀形貌,微觀斷口呈現(xiàn)龜裂的泥紋花樣,表面可見較多二次裂紋,可見臺階狀解理紋路(圖8)。對圖7中 A、B區(qū)域的斷口表面腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果見表3??芍g產(chǎn)物以鐵的氧化物為主,含有較高的S元素,說明螺栓斷裂與環(huán)境介質(zhì)中的H2S有關(guān)。

        圖7 宏觀斷口形貌Fig.7 Macroscopic morphology of fracture

        圖8 微觀斷口形貌Fig.8 Microscopic morphology of fracture

        表3 斷口腐蝕產(chǎn)物的成分分析(質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%)Table 3 Composition analysis of fracture corrosion products (mass fraction /%)

        2 分析與討論

        經(jīng)檢驗,螺栓的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3077—2015對40Cr的要求。文獻(xiàn)[3]表明,在含有H2S的水環(huán)境中,當(dāng)H2S分壓≥355 Pa,相當(dāng)于水中H2S溶解度≥10-6時,即可定義為濕硫化氫環(huán)境。從換熱器結(jié)構(gòu)和運(yùn)行工況來看,浮頭處于換熱器尾部,工作時會與殼程介質(zhì)(含H2S的氨水)接觸,螺栓實(shí)際處于濕硫化氫環(huán)境。通過金相檢驗,在螺栓斷面附近和一側(cè)外壁發(fā)現(xiàn)樹枝狀裂紋,主裂紋方向大致與軸向拉應(yīng)力方向垂直,其形貌符合應(yīng)力腐蝕裂紋。在斷面下側(cè),沿著分叉裂紋觀察,可見若干細(xì)小的階梯狀裂紋,其形貌特征符合氫致裂紋。從斷口宏觀形貌判斷,螺栓斷裂屬于脆性斷裂。微觀斷口上可見泥紋花樣和臺階狀解理紋路,為脆性斷裂的微觀特征。通過能譜測試,發(fā)現(xiàn)斷口腐蝕產(chǎn)物中含有較高的S元素,說明螺栓斷裂與環(huán)境介質(zhì)中的H2S有關(guān)。綜合上述分析認(rèn)為,該浮頭螺栓發(fā)生濕硫化氫應(yīng)力腐蝕和氫致開裂。

        2.1 濕硫化氫應(yīng)力腐蝕

        文獻(xiàn)[5-6]顯示,顯微組織對硫化氫應(yīng)力腐蝕敏感性遞增的順序是:鐵素體中含球狀碳化物組織→完全淬火+回火組織→正火+回火組織→正火組織+淬火后未回火的網(wǎng)狀馬氏體或貝氏體組織。淬火馬氏體對硫化氫應(yīng)力腐蝕敏感性最強(qiáng),這是因為淬火馬氏體內(nèi)部存在高密度的位錯,位錯是氫聚集的場所和擴(kuò)散通道。40Cr正常調(diào)質(zhì)后的組織為回火索氏體組織,而斷裂螺栓的顯微組織為保持馬氏體位向的回火索氏體和網(wǎng)狀鐵素體。從顯微組織來看,螺栓對硫化氫應(yīng)力腐蝕具有較強(qiáng)的敏感性。

        RP-04-72和RP-492中規(guī)定,在濕硫化氫環(huán)境中承受拉伸載荷的鋼件硬度值必須小于HRC 22才能有效抵抗硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂。從硬度測試結(jié)果來看,斷裂螺栓截面硬度值高于HRC 22,導(dǎo)致材料抵抗硫化氫應(yīng)力腐蝕能力不足。

        硫化氫應(yīng)力腐蝕敏感性與滲透到鋼材中的氫含量有關(guān),主要和H2S含量和pH值這2個環(huán)境因素有關(guān)[6]。文獻(xiàn)[7-8]顯示,在應(yīng)力一定的情況下,硬度值相同時,H2S含量越高,材料越易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。通常在pH≥6時,只有在有害雜質(zhì)作用下才可能發(fā)生應(yīng)力腐蝕抗開裂;當(dāng)pH值<<6時,應(yīng)力腐蝕開裂的可能性增大。說明浮頭螺栓斷裂與殼程介質(zhì)H2S含量和pH值有關(guān)。

        2.2 氫致開裂

        鋼在H2S水溶液中會發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)[9]:

        H2S 電離:H2S→ H++ HS-, HS-→H++ S2-

        陽極反應(yīng):Fe→Fe2++2e-

        二次過程:Fe2++S2-→FeS或Fe2++HS-→FeS+H+

        陰極反應(yīng):2H++2e-→2H→H2

        由于H原子直徑比金屬原子小得多,陰極反應(yīng)生成的H會向鋼中滲透并擴(kuò)散,在空位、位錯或晶界等缺陷處聚集,復(fù)合成H2,產(chǎn)生氫壓?;跉鋽U(kuò)散原理可知,H原子會在應(yīng)力梯度驅(qū)動下向高應(yīng)力方向擴(kuò)散,使非均勻的化學(xué)勢達(dá)到平衡[10],因此,螺栓承受的軸向拉應(yīng)力促進(jìn)了H在鋼中的擴(kuò)散,當(dāng)產(chǎn)生的氫壓等于原子鍵合力時,局部原子鍵斷裂形成微裂紋。在拉應(yīng)力作用下,裂紋尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中,誘導(dǎo)H不斷向裂紋尖端聚集,當(dāng)氫壓超過臨界值,裂紋向前擴(kuò)展,擴(kuò)展后裂紋尖端再次產(chǎn)生H聚集,如此循環(huán),裂紋持續(xù)向前擴(kuò)展,并與應(yīng)力腐蝕裂紋連接交匯,加速材料脆化開裂[11-12]。

        綜上所述,該浮頭螺栓長期在濕硫化氫環(huán)境中服役,由于調(diào)質(zhì)處理不當(dāng),材料顯微組織為保持馬氏體位向的回火索氏體和網(wǎng)狀鐵素體,硬度值高于HRC 22,導(dǎo)致材料抵抗H2S應(yīng)力腐蝕能力不足。當(dāng)殼程介質(zhì)中H2S含量達(dá)到臨界值,在拉應(yīng)力作用下發(fā)生濕硫化氫應(yīng)力腐蝕,裂紋由螺栓外壁起,沿著垂直于拉應(yīng)力方向擴(kuò)展。與此同時,拉應(yīng)力促進(jìn)H擴(kuò)散的發(fā)生,產(chǎn)生氫致裂紋,加速材料脆化開裂,最終導(dǎo)致螺栓斷裂失效。

        3 結(jié)論與建議

        1)該浮頭螺栓斷裂性質(zhì)為脆性斷裂,斷裂機(jī)制為濕硫化氫應(yīng)力腐蝕和氫致開裂。

        2)由于調(diào)質(zhì)處理不當(dāng),螺栓顯微組織為保持馬氏體位向的回火索氏體,鐵素體沿原奧氏體晶界網(wǎng)狀析出,硬度值偏高,導(dǎo)致材料抵抗硫化物應(yīng)力腐蝕能力不足。長期在濕硫化氫環(huán)境中服役,在拉應(yīng)力作用下,發(fā)生濕硫化氫應(yīng)力腐蝕和氫致開裂,導(dǎo)致螺栓斷裂失效。

        3)合理選擇螺栓材質(zhì),在滿足強(qiáng)度要求的同時,選用硬度值小于HRC 22的螺栓,以提高其抵抗硫化氫物應(yīng)力腐蝕的能力。螺栓緊固時,應(yīng)嚴(yán)格控制預(yù)緊力大小。換熱器運(yùn)行時要控制殼程介質(zhì)中的H2S含量,避免pH值過低。

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