探究汽提塔不锈钢冷凝器螺栓断裂失效的形式和原因

汽提塔不锈钢冷凝器作为烷基化装置的组成部分，其中含有腐蚀性很强的HF酸介质，HF酸对烷基化装置有一定的危害性。此批螺栓在安装一段时间后，有部分螺栓发生了断裂。该螺栓的材质是35CrMoA钢。螺栓断裂失效后，法兰处发生泄漏，产生的泄漏介质对环境和设备产生了很大危害，所以分析螺栓断裂原因，对保证螺栓的安全可靠性具有一定的意义。找到螺栓失效原因，在以后的生产过程中可有效避免螺栓断裂失效而造成不必要的损失。本文对螺栓进行了各项实验，确定了螺栓断裂的形式和原因。

1实验过程和结果

1.1断裂螺栓宏观断口形貌

图1为螺栓整体形貌。可看出，螺栓在扣螺纹处断裂，并且两断面有一定的倾斜角度。如图2螺栓断口宏观形貌所示，螺栓上存在灰白色腐蚀产物，螺栓断面有红褐色锈迹附着于断口表面，断口表面有放射条纹，则放射条纹的收敛处为裂纹源。裂纹源位于螺栓表面，断裂向螺栓内部扩展，并且在断口上有人字纹，无应力集中时人字纹尖端逆指向裂纹源。在扩散区明显存在疲劳弧线，可见疲劳弧线收敛的光滑区为裂纹源，扩散区存在疲劳台阶，可判断其为多源疲劳。瞬断区断面倾斜45。角，断口沿较大剪切应力平面扩展。

1.2断裂螺栓断口的微观形貌观察

对螺栓进行除锈后，采用扫描电镜对螺栓断面进行微观观察。如图3瞬断区所示，瞬断区为沿晶为主+韧窝的混合断裂形貌；如图4、5所示，裂纹源区、多源疲劳扩展区为韧窝断裂特征，断口裂纹源区未见冶金加T痕迹。

1.3螺栓金相组织观察

在断裂螺栓光杆段上取样、磨制、抛光和化学侵蚀后在光学显微镜下观察。由图6螺栓金相组织可见，断裂螺栓显微组织为细小马氏体，碳化物含量较多。

1.4螺栓纵截面裂纹形貌分析

图7为螺栓纵截面断口附近裂纹金相形貌，图8、9为螺栓纵截面断口附近裂纹扫描电镜形貌。综合可以看出，裂纹的走向是沿着多源疲劳扩展区扩展方向开裂，这与断口处裂纹台阶形成的原理一致。

图8、9中显示的裂纹中存在较粗的主裂纹及沿着主裂纹分叉的较多的、细小的二次微裂纹。若把螺栓断裂处看作沿着主裂纹开裂，断口纵截面发现的多条裂纹为沿着断裂处开裂的微裂纹，则可推断出断口处的裂纹台阶由多源疲劳扩展产生的多条裂纹发散而形成。

1.5螺栓裂纹附近腐蚀产物的XRD分析

为了分析图1中螺栓断裂处螺纹附近附着的灰白色腐蚀产物成分，对其进行XRD分析，结果如图10所示，得出螺栓断口处裂纹附近的灰白色腐蚀产物为FeF2。

1.6螺栓裂纹附近腐蚀产物的能谱分析

由图11中腐蚀产物的能谱分析结果可知，裂纹处含有的夹杂物既含有35CrMoA钢中所含有的正常元素，也含有F、C、N、0等其他元素。根据图10中XRD中对腐蚀产物的分析，其中有含F的物相，图中也含有F元素。可判断，裂纹中存在含F元素的腐蚀产物。推断出，由于HF酸的影响，螺栓承受一定的应力，在应力和腐蚀介质的共同作用下，使螺栓产生了应力腐蚀：图11显示含有大量C、0元素，可推断在汽提塔不锈钢冷凝器泄漏后，部分介质污染了断裂螺栓的表面，介质中的有机物渗入到裂纹中，从而导致其腐蚀产物中含有C、0兀素。

2螺栓断裂原因分析

从对该螺栓进行宏观断口分析发现，螺栓断口面与螺栓的中轴线保持垂直。该螺栓无明显的塑性变形和弯曲变形，断裂由扣螺纹处螺栓的外表面向中间延伸，裂纹源靠近螺栓外表面，泄漏的腐蚀介质较先接触螺栓的光杆，并首先流过光杆到达扣螺纹处，而扣螺纹处应力较为集中，从而在应力腐蚀的作用下，扣螺纹处开始萌生裂纹，裂纹逐渐扩展，较终发生疲劳断裂。螺栓表面无明显的缺陷，螺栓断口处断面上存在腐蚀产物，具有应力腐蚀特征。

汽提塔不锈钢冷凝器使用的这种螺栓是高强度钢，对应力腐蚀的敏感性较强。而其工作环境中容器内的介质含有强腐蚀性的催化剂HF酸，在生产过程中，法兰处产生介质泄漏，HF酸对设备中的金属材料很易产生腐蚀：而不锈钢冷凝器的T作压力达到2.4MPa，螺栓安装在不锈钢冷凝器法兰处一直处于预紧态，承受着一定的拉应力，以上3个条件都是螺栓产生应力腐蚀的必要条件。对螺栓进行微观分析，发现断裂多为沿晶断裂（图3为沿晶断裂形貌）；裂纹中间含有腐蚀产物：较粗的主裂纹上有较多的分叉，这些分叉就是萌生的微裂纹，这些微裂纹沿着主裂纹延伸并垂直于应力方向。以上是应力腐蚀断裂的3个微观形貌特征。这些特征都可证明螺栓断裂的原因是应力腐蚀引起的。

3结语

汽提塔不锈钢冷凝器螺栓断裂的主要原因是应力腐蚀，在垫片失效后，介质发生泄漏，在腐蚀介质作用下，螺栓在表面萌生裂纹。并且在裂纹疲劳扩展的过程中，泄漏介质始终起到应力腐蚀作用，较终产生应力腐蚀断裂。

为防止此类事故的发生，应该采用适当防腐材料，并提高螺栓的加工处理要求，尽量保持螺栓表面的光滑平整。