电站锅炉阀门螺栓断裂原因分析及对策

程虚 阑 石 油 化 工 设 计 P e t r o c h e mi c a l D e s i g n 电站锅炉阀门螺栓断裂原因分析及对策 罗广辉 ， 鞠琳莉， 刘厚超 ， 郑新兵 ( 中国石油大庆石化公司炼油厂， 黑龙江大庆1 6 3 7 1 1 ) 摘要： 针对冷凝器节流闸阀的闽盖紧固螺栓突然发生断裂 ， 对阀门螺栓进行 了失效分析。从螺栓断 裂的宏观形貌可以看出， 螺栓断裂部位不是在螺纹处， 而是在螺栓的端帽根部。从断裂面看， 应该是前期 就出现开裂， 然后发展， 最后 突然断裂。其次对螺栓断裂面断口进行 了微观检测分析、 化学成分、 金相分 析和对腐蚀产物进行了能谱分析确认为螺栓加工存在缺陷， 导致脆性延迟断裂， 引起沿晶开裂。为吸取 教 训 加 强阀 门配件 的检 查检验 。 关键词：电站锅炉 阀门 失效分析微观检测沿晶开裂 某石化公司电站锅炉， 锅炉冷凝器下降管线 的一个节流闸阀的阀盖紧固螺栓突然发生断裂， 造成大量蒸 汽泄漏 ， 造成紧急停工 ， 更换 了阀门。 冷凝器的介质 为 1 0 8高 温水 与 2 0 0蒸汽混 合， 压 力 大 约 3 6 k g c m 。失 效 阀 门 型号 为 J Z 4 6 W， 规格 D N 5 0 ， 2 0 0 6年6月投入使用 ， 使用周 期接近四年半。阀门的阀盖等部件未发现异常， 只有阀盖连接到阀体上的紧固螺栓发生了断裂。 阀门的紧固螺栓为六角法兰面型螺栓， 4根紧固螺 栓中的 3根发生了断裂 ， 1根未发生断裂。见图 1 。 图 1 阀门大盖断裂照片 1 宏观检查 将 4根螺栓从 阀盖 中取 出清洗 ， 并 进行宏观 检查 。螺栓断裂部位不是 在螺纹处 ， 而是在螺栓 的端帽根部。见 图 2 。从断裂螺栓断 口表面可看 出， 灰暗色区域较大， 比较新鲜的区域较小。灰暗 色区域应该是前期开裂后的断 口受到了氧化腐 蚀 ， 比较新鲜 的区域应该是 这次突然断裂 的新 断 口 图2 ( a ) 。螺栓的端帽部分应该是锻造成形。 靠近断 口的端帽外缘部分存在多条 明显 的锻造裂 纹 。见 图 2 ( b ) 。 嘲一 ( a ) 侧面的宏观形貌 ( b ) 螺栓端帽 图 2 断裂螺栓 2 对螺栓断口进行微观检测分析 将 3个断裂螺栓和 1个断裂端帽用超声波清 洗器反复清洗干净， 利用进 口的扫描电镜和能谱 仪观察分析 4个 断 口的表面微 观形貌 ， 分析腐蚀 产物成分。从断 口的微 观形貌 可以看出， 断 口大 部分 区域的微观形貌均 为沿 晶特征， 即裂纹是沿 着晶界开裂的， 属于典型的脆性断口。对断口灰 暗色区域进行 2 0 0倍 电镜扫描 ， 可以看 出沿晶断 口的表面覆盖了一层腐蚀产物， 经成分分析， 腐蚀 产物以氧化铁为主， 其中腐蚀产物中存在 c 1 元素 和 S元素。见 图 3和图 4 。 收稿日期： 2 0 1 1 0 1 2 0 。 作者简介： 罗广辉， 男， 1 9 9 7年毕业于北京石油化工学 院化工设备与机械专业， 获学士学位， 2 0 0 5年 7月毕 业于大庆石油学院机械工程硕士专业， 获工程硕士学 位 ， 已发表论文多篇， 任糠醛车间副主任， 炼油厂机动 处工程 师。联 系电话 ： 0 4 5 96 7 0 8 4 5 1 ； Em a i l ： l u o g h d s p e t r o c h i n a c o m c n 石 油 化 工 设 计 第 2 8卷 图 3 断口灰暗色区域的成分分析谱图 ： = ： 一一一， 图4 断口新鲜区域的成分分析谱图 对断 口新鲜 区域进行 2 0 0倍 电镜扫描 ， 断 口 新鲜 区域的很小部分 的微观形貌不是沿 晶特征 ， 而是韧窝特征 ， 韧窝是正常塑性断裂 的断 口特征 。 这说 明螺栓断裂属于延迟断裂 ， 即首先萌生裂纹 ， 其次裂纹扩展 ， 最后突然断裂。 从螺栓端 帽外缘 区域 的微观形貌可 以看 出， 螺栓锻造成形工艺不规范 ， 锻造温度较低 ， 螺栓端 帽部位墩粗变形量较 大， 从而产生较多 的锻造裂 纹， 而锻造后也未进行二次加工以去除这些裂纹。 3 螺栓材质成分检测分析 从 1 个断裂螺栓上取样， 利用直读光谱仪和 碳硫分析仪检测分析螺栓的材质成分。见表 1 。 常 用 于 螺栓 的不 锈钢 材 质 为 1 C r l 7 N i 7和 1 C r l 8 N i 9 ， 但是按照国标 G B T 1 2 2 01 9 9 2 ( 不锈 钢的牌号和化学成分 ) 标准 ， 断裂螺栓的材质成分 不 符 合 1 C r l 7 N i 7 和 1 C r l 8 N i 9 ，而 比 较 接 近 1 C r l 8 Mn 8 N i 5 N。但是 ， 按照 国标 1 C r l 8 Mn 8 N i 5 N要 求 ， 断裂螺栓的材质成分 中， 含 C量偏 高， 含 C r 量 偏低， 这就大大降低了其耐蚀性能， 表 1螺栓的材质成分 4 螺栓金相组织检测分析 从断裂螺栓截取 2个试样 ， 用水砂纸对其 预 磨 、 精磨、 研磨、 抛光和王水溶液浸蚀 ， 制备成金相 试样。利用金相显微镜对 1个试样金相组织进行 检测分析 ； 另 1个试样用进 口的扫描 电镜对其锻 造缺陷进行观察分析 。经检测 ， 螺栓 的金相组织 为奥氏体 ， 晶粒 度评定 等级 为 6级 ， 组织 比较粗 大。 由螺栓 的锻造缺 陷微观形态 可以看出 ， 螺栓 的表面和 内部均发现较大的锻造裂纹和夹杂物 ， 而且断 口和裂纹 附近均 发现 明显 的沿 晶开裂形 态 ， 这说明螺栓 的沿 晶开裂主要与锻造缺陷有关。 5 螺栓断裂原 因分析及对策 经过上述检测分析可知， 阀门螺栓失效部位 处于端帽根部， 失效性质属于脆性延迟断裂， 断口 类型为沿晶特征。 ( 1 ) 螺栓断裂 的主要原因为螺栓存在 材质缺 陷， 具体表现为： 螺栓的材质成分不符合国标要 求 ， 含 c量偏高 ， 含 c r 量偏低 ， 降低 了其耐 晶间腐 蚀性能； 螺栓的端帽锻造成形工艺不规范， 锻造 的温度偏低， 造成端帽根部产生锻造裂纹等缺陷； 螺栓锻后未进行热处理， 端帽根部存在残余应 力 ， 并且冷却时晶界析 出含铬碳化物 ， 造成 晶界弱 化 ， 容易发生沿 晶开裂。 螺栓断裂的次要 因素为环境温度波动和介质 腐蚀 因素， 具体表现为 ： 阀门经受 的温度波动造成 螺栓产生热疲劳应力 ， 加速裂纹萌生和扩展 。 ( 2 ) 经过检测分析， 可见为阀门原始制造过程