管道阀门不锈钢螺栓断裂原因分析.pdf

第 4 4卷第 3期 2 0 1 5年 5月 石油化工设备 PETR0一 CHEMI CAL EQUI P MENT Vo l _ 4 4 No ．3 M ay 20 15 文章编 号 1 0 0 0 7 4 6 6 2 0 1 5 0 3 0 0 8 3 0 6 管道 阀门不锈钢螺栓断裂原 因分析 吴 晨 ，陈 琦 ，王继峰 ，顾 福明 上海市特种设备 监督检验技术研究院 ，上海2 0 0 3 3 3 摘 要 通 过化 学成 分分析 、 力 学性 能 测试 、 金相 组 织分析 、 断 口扫描 电镜 分析 等 方 法 ， 对 沿海化 学 工 业区某石化企业管道阀门不锈钢螺栓的断裂原 因进行 了分析。分析 结果表明， 螺栓材料的碳质 量 分数偏 高， 超过 了相关标准中的要求， 螺栓经过形变强化处理 ， 在晶界处有明显的碳化物析 出， 断 口 为岩石状沿晶断裂特征 ， 断 口中含有 C l 元素。螺栓材料碳质量分数超标 ， 同时未进行 固溶热处理 ， 加之 在 沿 海大 气环境 中服 役 ， 导致 螺栓 发 生 了沿 晶应 力腐 蚀 开裂 。 关 键词 阀门；螺栓；奥氏体不锈钢 ；应力腐蚀；失效分析 中图分 类号 TQ0 5 5 ． 8 文 献标 志码 B d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ i ． i s s n ． 1 0 0 0 7 4 6 6 ． 2 0 1 5 ． 0 3 ． 0 2 0 Re a s o n s An a l y s i s o n Fr a c t u r e o f Va l v e Au s t e n i t i c S t a i n l e s s S t e e l Bo l t s WU Ch e n，CHEN Qi ，WANG J i - f e n g ，GU F u mi n g S h a n g h a i I n s t i t u t e o f S p e c i a l Eq u i p me n t I n s p e c t i o n Te c h n i c a l Re s e a r c h． Sha n gh a i 20 0 33 3，Chi na Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e u s e o f c h e mi c a l a n a l y s i s ， me c h a n i c a l t e s t i n g，me t a l l u r g i c a l a n a l y s i s ， SEM a n a l ys i s o f f r a c t u r e a n d o t he r me t h od s。t he c a s e o f au s t e ni t i c s t a i nl e s s s t e e i b ol t s f r a c t ur e f a i l ur e i n Coa s t a l Che mi c a 1 I ndu s t r i a l Pa r k i 8 a n a l y z e d．Th e r e s ul t s s h ow t h a t ，t h e c a r b on c o n t e nt o f t he bo l t s e xc e e ds t he s t a nda r d r e qu i r e me nt ，t he b ol t s r e c e i ve d e f or ma t i o n s t r e n gt he ni n g t r e a t me nt ， i n t h e gr a i n bo un da r y c a r bi d e p r e c i pi t a t i o n a t t he ob v i ou s， a nd t h e r oc k l i ke c ha r a c t e r i s t i c s o f i n t e r g r a n u l a r f r a c t u r e h a s b e e n f o u n d ．I n c o n c l u s i o n，t h e p r i ma r y r e a s o n i s c a r b o n c o n t e n t g o be y on d t he s t a nd a r d r e q ui r e m e nt a nd t he b o l t s ha s no t be e n p e r f o r m e d by t he s o l u t i on h e a t t r e a t me nt ，a l l t h os e l c a d t h e o c c ur r e nc e o f s t r e s s c or r o s i on c r a c k i ng ． Ke y wo r d s v a l v e ；b o l t ；a u s t e n i t i c s t a i n l e s s s t e e l ；s t r e s s c o r r o s i o n；f a i l u r e a n a l y s i s 在石油化工生产 中， 不锈钢作为综合性能优异 的金属材料应用广泛 。在我国东部沿海地区众多的 石油化工企业 中， 大量 的容器 、 管道设备用不锈钢材 料制造 ， 其中 c r - Ni 奥 氏体不锈钢 1 8 8系列 以其 耐腐蚀 、 加工性能优 良更是得到广泛应用。不锈钢 在 大气 环境 下通 常是 很耐 蚀 的 ， 但 在含 硫化 氢 、 氯离 子 、 无机盐及二氧化碳等腐蚀性介质中， 腐蚀速度会 增 加 。而沿 海地 区大 气 环 境 中富含 氯 离 子 ， 奥 氏体 不锈钢经常发生腐蚀失效， 导致事故的发生 。因此 ， 对沿海大气环境 中的不锈 钢材料进行失效分析 ， 是 防止 安全 生产 事故 发 生 的 重 要 步骤 ， 对 石 油 化 工 企 业安全、 稳定 、 长周期运行意义重大。 1 事故概况 2 0 1 1 - 0 9 ， 沿海化学工业区某石油化工有限责任 公 司 低温罐 区附近 的超 临界 乙烯 输送 相关 管道发 生 火灾 爆炸 事故 。该 管道 按超 临界 乙烯 输送 条件设 计 施工 ， 于 2 0 0 9 ～ 0 5建成投产 ， 投用前通过了专项安全 技术审查 ， 进行过宏观检查及专项检测， 均符合相关 要求 。管道投用以来一直运行平稳 ， 未发生重大修 收稿 日期 2 0 1 4 1 2 - 2 3 作者简 介 吴晨 1 9 8 4 一 ， 男 ， 上海人 ， 助理工 程师 ， 学士 ， 从 事压力管道检验检测工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油化工设备 2 0 1 5 年第 4 4 卷 理 工作 。此 次事故 发 生后 ， 现场 调查发 现 ， 多条 管道 爆 破 断裂 ， 管道 中 1 个 阀 门 的 阀门 盖进 出 。事 故 阀 门 的顶 棚板 严重 屈 服 变形 ， 阀 门南 侧 的管廊 破 坏 严 重， 部分管架倒塌。事故相关的管道及 阀门都没有 保 温措 施 ， 所 有 事 故 螺 栓 材 质 均 为 3 0 4不 锈 钢 l 1 ] 。 事 故 现场通 向外 界 的 管 道横 向断 裂 ， 其 中一段 被 推 出 3 8 I T I 。公称直径为 D N1 5 0 mm的⑤号阀门阀体 与 阀杆 连接 的 1 2根 法兰螺 栓全 部 断裂 ， 阀芯 和阀杆 进 出 。公 称 直 径 为 D N1 0 0 mm 的⑧ 号 阀 门阀 体 与 阀杆 连接部 位 的螺栓 有裂 纹产 生 。文 中对⑤ 号 阀门 阀体与阀杆连接处 1 2根法兰螺栓的断裂原因进行 分析 。 2 断裂螺栓宏观形貌和化学成分分析 断裂 的 1 2根 螺栓 经 清 洗后 呈 现 不 同 的光 泽 亮 度 ， 有 的螺栓 色泽 很 光 亮 ， 接 近 于新 螺 栓 ， 而 有 的 螺 栓 比较 暗淡 ， 说 明这些 螺 栓 在 事 故 现场 被 火 焰 灼 烧 过 ， 见 图 1。 取 1 、 3 、 5 共 3根螺栓进行化学成分分 析， 结果 见表 1 。表 中 同时列 出 了 AS T M A1 9 3 -- 2 0 0 4 2 图 1螺 栓 断 裂 形 貌 及 编 号 高温设备 用合金 钢和不 锈钢螺栓 材料 的标准 规 范 中的 A1 9 3 一 B 8 、 AS T M A3 2 0 2 O O 5 低 温用 合 金 钢 栓 接 材 料 l 3 中 的 A3 2 0 一 B 8 、 AS TM A3 5 I ／ A3 5 1 M一 2 O O 3 承 压 件 用 奥 氏 体 铸 钢 件 中 的 A3 5 1 一 C F 8以及 GB 1 2 2 0 ～ 9 2 不 锈 钢 棒 中与 螺 栓 同牌 号材 料 的标 准化 学成 分 。从 表 1 可 以看 出 ， 3 个 螺栓试 样 的化学 成分 相差 很小 ， 应属 同一批 次 。3 个螺栓试样的碳质量分数偏高 ， 超过了文献[ 2 5 ] 中 的要求。c r 质量分数偏低 ， 小于文献[ 2 4 ] 的要求。 表 1螺栓试样化学成分 质 量分数 及其与标准对 比 3 断裂螺栓力学性能测试 3 ． 1 拉 伸试 验 分别 选 取 2 、 1 3 、 1 7 螺 栓 进 行 拉 伸试 验 ， 拉 伸 试样 形状 及 尺寸见 图 2 。 M8 图 2 螺栓拉伸试 样形状及尺寸 按照 GB ／ T 2 2 8 --2 0 0 2 金 属材料室温拉 伸试 验 进 行拉 伸 试 验 ， 试 验 螺栓 的拉 伸 性 能 见 表 2 ， 表 中同时列 出了文献 [ 2 ， 3 ] 中与螺 栓 相 同牌 号 材 料 的标准 拉伸 性能 数据 。 表 2 螺栓试样拉伸 性能及其与标准中相同 牌 号材料性 能对 比 从表 2中可 以 看 出 ， 1 3 螺 栓 由于 没 有 受 到 大 火的影响， 所 以强度是最好的， 强度与塑性都符合文 献[ 2 ， 3 ] 中的规定要求 。该螺栓 3 0 4不锈钢 的屈服 强 度高 达 5 0 0 MP a左右 ， 抗拉 强度 高达 8 0 0 MP a 左 右 ， 说 明螺栓 经过 了形 变强化 处 理 ， 即螺栓 为冷 拔加 工 而 成。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油化工设备 表 4 1 3 螺栓试样 E D S能谱 扫描 结果 2 0 1 5年第 4 4卷 6 螺栓 断裂原 因分析及对策 奥 氏体不 锈钢 在氯 离子 环境下 的应 力腐 蚀开 裂 是穿 晶解 理 断裂 的 ， 但 当晶 界上 有 碳 化 物析 出时 未进 行 固溶热 处理 ， 晶界上 贫铬 导致 晶界 电位低 ， 就 会 出现沿 晶 的应 力 腐 蚀 开 裂 _ 1 。螺 栓 断 裂 为 典 型 的 晶间应力 腐 蚀 开 裂 ， 且 为 脆性 开 裂 特 征 。分 析 认 为螺 栓发 生应 力腐 蚀 开 裂 的 原 因如 下 ① 力 学 因 素 。螺 栓在 预紧 工况及 内压 作用 下承 受很 高 的拉 应 力 和扭 转应力 l 1 。②组 织 因素 。3 0 4奥 氏体不 锈钢 固溶处理不当， 碳质量分数偏高 ， 奥氏体晶界上析出 大 量 的碳 化 物 ， 导 致 晶 界 附 近 贫 铬 。 ③ 环 境 因 素 。 沿海大气环境中含有氯离子、 氧等腐蚀介质 。一般 沿 海大 气 中的氯 离子 浓度 不足 以造成 3 0 4不锈 钢 的 应力腐蚀开裂， 但 晶界贫铬导致材料的晶间腐蚀敏 感性 大 为提 高 ， 在拉 应 力作 用下 就 产 生 了 沿 晶 的应 力腐 蚀 开裂 。 在 相应 环境 下应对 应 力腐蚀 开裂 主要 采取 表面 钝 化处 理 和表 面涂层 处理 等手 段 。通过表 面钝 化处 理增加不锈钢表面氧化膜 的厚度 ， 可 以有效改善不 锈 钢材 料 耐 应 力腐 蚀 性 能[ 1 。涂 层 处 理 技 术 具 有 施 工 方 便 ， 着 色 性 好 ， 适 应 性 强 ， 不 受 设 备 面 积 、 结 构 、 形状 的限制 ， 重涂和修复方便 以及费用较低等特 点 ， 应用 极 为广 泛 。 普通油性漆在海洋大气严酷环境下使用容易皂 化 ， 防护性 能下 降 ， 而 环 氧有 机 树 脂 漆 不 易 皂化 ， 耐 候 性好 。将 环 氧 富锌 底 漆 作 为 涂 层 具 有 自然 干 燥 快 、 附着力 强 及耐 户外 老化性 强 的特点 ， 遵循 专业 的涂装 技术 要求 涂刷 此涂 料口 ， 可 以避免 类 似 环境 下 应力 腐蚀 开裂 事故 的发 生 。 7 结 语 对 沿海 化学 工业 区某 石化 企业 管道 阀 门不锈 钢 螺 栓 的断裂 原 因进 行 了分析 ， 螺 栓材 料 碳 质 量 分数 超 过 了标 准要求 ， 同时螺 栓未进 行 固溶热 处理 或 热 处理不 当 ， 晶界贫铬导致材料的晶间腐蚀敏感性大 为提高 ， 加之沿海大气环境中含有氯离子 、 氧等腐蚀 介 质 ， 长期 在此 环境 服 役 导 致 螺 栓 发生 了沿 晶应 力 腐 蚀开 裂 。 参考文献 [ 1 ] GB ／ T 3 0 9 8 ． 6 2 0 0 ， 紧 固件机械性能 不锈钢螺栓 、 螺 钉 和螺 柱 [ S ] ． GB／ T 3 0 9 8 ．6 - -2 0 0 0， Me c h a n i c a l Pr o p e r t i e s o f F a s t e n e r s Bo l t s， Sc r e ws a n d St uds M a d e of St a i nl e s s s t e e l E S ] ． [ 2 3 A S TM A1 9 3 2 0 O 4 ， 高温设备用合金钢 和不锈钢螺栓 材料的标准规范[ s ] ． ASTM A1 9 3 一 --20 04， S t a nda r d Spe c i f i c a t i on f or Al l o y s t e e l a nd St a i nl es s S t e e l Bol t i n g Mat e r i a l s f or Hi gh t e mp e r a t u r e S e r v i c e r S ] ． [ 3 ] AS TM A3 2 0 --2 0 0 5 ， 低温用合金钢栓接 材料标准 规范 E s ] ． ASTM A3 2O 2O O5．St a nd ar d Spe c i f i c a t i on f or A1 一 l o y ／ S t e e l B o l t i n g Ma t e r i a l f o r Lo w t e mp e r a t u r e S e r v i c e [ s ] ． [ 4 7 AS T M A 3 5 1 ／ A3 5 1 M 2 0 O 3 ， 承 压件用 奥 氏体铸 钢件 I s ] ． AS TM A3 5 1 ／ A3 5 1 M 一 2 0 0 3 ，S t a n d a r d S p e c i f i c a t i o n f or Ca s t i ng s，Au s t e ni t i c Fe r r i t i c，f o r Pe r s s ur e c o nt a i n i n g P a r t s[ S ] ． [ 5 ] GB 1 2 2 O 一9 2 ， 不锈钢棒 [ S ] ． G B 1 2 2 O 9 2 ， S t a i n l e s s S t e e l B a r s [ S ] ． [ 6 ] GB ／ T 2 2 8 --2 0 0 2 ， 金属 材料 室温拉伸试验E s ] ． GB／ T 2 2 8 2 0 0 2 ，Me t a l l i c Ma t e r i a l s Te n s i l e Te s t i n g [ S ] ． [ 7 ] G B ／ T 2 3 1 ． 1 2 O O 9 ， 金属材料 布氏硬 度试 验[ s ] ． GB／ T 2 3 1 ． 1 2 O O 9，Me t a l l i c M a t e r i a l s B r i n e l l Ha r d n e s s Te s t E S ] ． [ 8 ] 李炯辉 ． 金属材料 金相 图谱 [ M] ． 北京 机 械工业 出版 社 ， 2 0 0 6 ． L I J i o n g h u i ． Me t a l Ma t e r i a l Me t a l l o g r a p h [ M] ． B e i j i n g Ch i n a Ma c h i n e P r e s s ， 2 0 0 6 ． [ 9 ] 肖纪美． 不锈钢 的金属学 问题 [ M] ． 北 京 冶金工 业 出 版 社 ， 2 0 0 6 ． XI AO J i - me i ．S t a i n l e s s S t e e l Me t a l S c i e n c e Pr o b l e ms [ M] ． B e i j i n g Me t a l l u r g i c a l I n d u s t r y P r e s s ， 2 0 0 6 ． [ 1 O ]任凌波 ， 任晓蕾． 压力容器腐蚀 与控制[ M] ． 北京 化学 工 业 出版 社 ， 2 0 0 3 ． REN L i n g b o， REN Xi a o l e i ． P r e s s u r e Ve s s e l Co r r o s i o n a n d C o n t r o l [M] ．B e i i n g C h e mi c a l I n d u s t r y Pr e s s， 20 03 ． [ 1 1 ]梁成浩． 现代腐蚀科学与 防护技术 [ M] ． 上海 华东理工 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4 4卷第 3期 2 0 1 5 年 5 月 石油化工设备 PE TR0一 CHEMI CAL EQUI PMENT Vo1 ．4 4 NO． 3 M a y 2 01 5 文章编号 1 0 0 0 7 4 6 6 2 0 1 5 0 3 0 0 8 7 0 5 焦化 高压水球 阀失效原 因分析及预 防 侯 艳宏 ， 中海炼化 惠州炼 油厂 ， 孙 亮 广 东 惠卅I 5 1 6 0 8 6 摘要 酸性水汽提装置净化水进入焦池作为切焦水使 用后， 出现 了切焦水 系统局部弯头壁厚减薄、 高压 水球 阀三 位 阀杆腐 蚀 问题 ， 影响 生产 。对球 阀取 样进 行 了化 学成 分分 析 、 电镜观 察 、 能谱 分析 、 硬 度检 测 、 腐蚀 产 物 X 射线衍 射 分析 ， 认 为冲蚀一 腐蚀 的联 合 作 用导 致切 焦水 线 高 压 水球 阀密 封 面 失效 ， 腐蚀 介质促 进 了冲刷 腐蚀 。从 降低腐 蚀介 质含 量 、 优 化 阀 门结构 和材料 、 优 化操 作 、 加 强监 测 等方面提 出了预防腐蚀的建议 。 关 键词 球阀；切焦水；腐蚀；分析 ； 预防 中图分 类号 TQ0 5 5 ． 8 文献 标 志码 B d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 0 7 4 6 6 ． 2 0 1 5 ． 0 3 ． 0 2 1 Fa i l u r e Ana l y s i s a n d Pr e v e n t i o n o f t h e Ba l l Va l v e i n De l a y c o k i n g Uni t HOU Ya n h o ng，SUN Li a ng CNOOC Hu i z h o u Re f i n i n g Ch e mi c a l Co mp a n y ，Hu i z h o u 5 1 6 0 8 6 ，Ch i n a Ab s t r a c t Th e p u r i f i e d wa t e r f r o m a c i d wa t e r s t e a m e x t r a c t i o n u n i t wa s u s e d a s c u t t i n g c o k i n g wa t e r i n de l a y c ok i n g u ni t ． S ome c or r o s i on pr o bl e ms we r e d i s c o ve r e d i n c u t t i n g c ok i ng wa t e r S y s t e rn ， s u c h a s t h e w a 1 1 t h i c k n e s s r e d u c t i o n o f s o m e e l b o w a n d t h e c o r r o s io n f a il u r e o f t h e J a l l v a l v e ．Th e f a i l u r e o f b a l l v a l v e wa s a n a l y z e d b y t h e me t h o d s o f c h e mi c a l c o mp o n e n t s a n a l y g e s ， s c a nni ng e l e c t r o n mi c r o s c o pe，e ne r gy s p e c t r um a n a l ys i s，a nd X r a y d i f f r a c t i on ． A n d t he c o m b i ne d e f f e c t o f e r o s i on c or r o s i on b y c ut t i ng c o ki ng wa t e r was t he m a i nl y r e as o n c a us e d t he f a i l u r e b a s e d o n t h e a b o v e r e s u l t s ．S o me me a s u r e me n t s we r e p r o p o s e d t o s o l v e t h e p r o b l e ms s u c h a s p r o mo t i ng m a t e r i a l s a n d r e du c i n g c o r r os i v e s ． Ke y wo r d s b a l l v a l v e ；c u t t i n g c o k i n g wa t e r ；c o r r o s i o n；a n a l y s i s ；p r e v e n t i o n 2 0 1 1年开始 ， 中海炼化惠州炼油厂将酸性水汽 提装置的净化水作为焦化装置的切焦水来使用 ， 运 E l 2 ] [ 1 3 ] 大 学 出版 社 ， 2 0 0 7 ． LI ANG Che n g - ha o ． M o de r n Cor r o s i o n Sc i e n c e a nd P r o t e c t i o n Te c h n o l o g y [ M] ． S h a n g h a i E a s t C h i n a Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y Pr e s s ， 2 0 0 7 ． 江旭 ． 钢铁海洋 大气腐蚀 试验 方法 的研 究进 展[ J ] ． 腐 蚀科 学与防护技术 ， 2 0 0 7 ， 1 9 4 5 2 5 6 ． J I ANG Xu ． Ad v a n c e i n An a l y t i c a l Me t h o d s o f Ma r i n e C h e mi s t r y [ J ] ．C o r r o s i o n S c i e n c e a n d P r o t e c t i o n Te e h n o l o g y， 2 0 0 7 ， 1 9 4 5 2 5 6 ． 李异 ． 金属表面 转化 膜技 术[ M] ． 北京 化 学工 业 出版 社 ， 2 0 0 9 ． LI Yi ．Conv e r s i on Co a t i n g Te c hn o l o gy f or M e t a l Su r f a c e [ M] ． B e i i i n g C h e mi c a l I n d u s t r y P r e s s ， 2 0 0 9 ． [ 1 4 ]李桂林． 环 氧树 脂 与环氧 涂料 [ M] ． 北 京 化学 工业 出 版社 ， 2 0 0 3 ． L I G u i l i n ． E p o x y R e s i n a n d E p o x y C o a t i n g s [ M] ． B e i j i n g Ch e mi c a l I n d u s t r y P r e s s ， 2 0 0 3 ． [ 1 5 ]HG／ T 3 6 6 8 --2 0 0 9 ， 富锌底漆 I- s ] ． HG／ T 3 6 6 8 --2 0 0 9 ， Z i n c R i c h P r i me r [ S ] ． 张 编 收稿 日期 2 0 1 4 1 2 0 1 作者简介 侯艳宏 1 9 8 2 一 ， 女 ， 吉林抚 白山人 ， 工程师 ， 学士 ， 从事 防腐保 温及特种设备管理工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m