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电站锅炉阀门螺栓断裂原因分析

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电站锅炉阀门螺栓断裂原因分析

发布日期:2018-09-17 作者: 点击:

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108℃高温水与200℃蒸汽混合,压力大约36kg/cm2。失效阀门型号为JZ46W,规格DN50,2006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。

                                     

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)。


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200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Cl元素和S元素。见图3和图4。



  对断口新鲜区域进行200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1Cr17Ni7和1Cr18Ni9,但是按照国标GB/T1220-1992(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1Cr17Ni7和1Cr18Ni9,而比较接近lCrl8Mn8Ni5N。但是,按照国标lCrl8Mn8Ni5N要求,断裂螺栓的材质成分中,含C量偏高,含Cr量偏低,这就大大降低了其耐蚀性能。



  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)经过检测分析,可见为阀门原始制造过程中,厂家对配件把关不严,没有重视配件质量,导致使用过程中阀盖螺栓出现断裂,导致停工。针对阀门螺栓的断裂问题,立即开展排查,对同厂家阀门进行了更换,同时吸取教训,加强到货阀门的质量检查,对关键部位的阀门配件进行抽检,确保使用过程的安全可靠。


  (2)螺栓断裂的主要原因为螺栓存在材质缺陷,具体表现为:①螺栓的材质成分不符合国标要求,含C量偏高,含Cr量偏低,降低了其耐晶间腐蚀性能;②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;③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。


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