催化裂化烟气轮机固定螺栓断裂原因分析

催化裂化烟气轮机固定螺栓断裂原因分析

王庆华

山东汇丰石化集团有限公司  山东淄博  256400

摘要：滑阀是目前催化裂化装置广泛应用的一种特殊阀门，根据工艺可分冷壁滑阀和热壁滑阀，其操作介质通常为高温催化剂颗粒或高温烟气。随着生产工艺的优化改进，操作介质温度不断提高，热壁滑阀逐渐被冷壁滑阀取代。冷壁滑阀主要由阀体、阀盖、节流锥、阀座圈、阀板、导轨和阀杆等部件组成，内设隔热耐磨衬里。

关键词：催化裂化；滑阀；ＧＨ４０３３螺栓；蠕变断裂

引言

石油化工行业有各种各样的化学介质，在不同的工艺环境下，均表现出了不同程度的腐蚀性。而哈氏合金对多种恶劣的腐蚀环境均有优异的耐腐蚀性能，是实现很多化工工艺不可或缺的材料。哈氏合金Ｃ２７６是一种改进型的哈氏Ｃ合金的可锻形式，是在哈氏Ｃ合金的基础上降低碳质量分数（由０．１２％降至０．０２％）和硅质量分数（由０．１２％降至０．０８％）而制成的。由于具有极低的Ｃ和Ｓｉ含量，该合金焊接热影响区的耐腐蚀性能与基体金属几乎相同，因此具有比哈氏Ｃ合金更好的抗晶间腐蚀性能。

1、现场螺栓检查方法

现场螺栓控制方法主要包括宏观控制、无损控制(超声波、磁粉、染色、中心孔内窥镜观察)、金相控制、硬度测量和螺栓潜伏期延长测量。根据螺栓缺陷标准和高温螺栓常用流量破坏机理，对螺栓现场检查方法的有效性分析如下。(1)宏观调控。对于视觉控制或放大镜控制，重点应放在检测第一个螺纹根部的裂纹上。该方法简单易用，技术含量低，检测率高。(2)无损检测(超声波检测或染色检测)。该检查应具有相应的检查资质，技术含量高，宏观裂纹缺陷检测率高。(3)金相试验。现场金相控制主要用于控制25cr2mov、25cr2mo1v螺栓的材料结构是否较大，或者是否存在奥地利黑格网。例如，如果有黑色网格的奥地利网格，请更换25cr2mov钢螺栓。由于现场的金相只能控制杆或螺栓末端的抛光部分，而不能控制螺纹的根部，所以金相组织只能作为评价材料性能的参考指标，通常不能有效评价高温下螺栓的流动损伤。(4)硬度测量。硬度间接反映了材料的强度和韧性。较低的硬度表示强度较低，而较高的硬度表示强度较低。因此，关于dl / t49-2018热电厂高温连接的技术准则要求高温关闭热电厂，并规定了各种材料螺栓硬度的下限和上限。

2、原因分析

该滑阀螺栓断裂于螺纹根部，无明显塑性变形，断口表面粗糙，呈高低起伏状，微观断口呈冰糖状花样，为沿晶脆性断裂特征。断口存在孔洞型沿晶裂纹，具有蠕变开裂特征。该滑阀螺栓服役１年即发生断裂，寿命远低于设计要求。为此，在同一导轨上取１根同批次未断裂螺栓进行光学显微镜（ＯＭ）和扫描电镜（ＳＥＭ）微观组织分析，结果表明，未断裂螺栓组织晶粒度明显低于断裂螺栓，大量碳化物沿奥氏体晶界呈链状分布，晶内存在弥散碳化物和强化相质点。而断裂螺栓的奥氏体晶界未见明显的碳化物，仅有少量弥散的碳化物和强化相质点。根据ＧＨ４０３３在高温下的微观组织演变规律及相关热处理工艺，认为该断裂螺栓供货未达到质保要求。正常供货状态的ＧＨ４０３３，大量富Ｃｒ碳化物沿晶分布，起细晶强化和晶界强化作用，加上晶内碳化物的弥散强化作用，三者共同保证了ＧＨ４０３３作为高温合金螺栓使用所需具备的高温强度和蠕变强度。断裂螺栓组织晶粒粗大，晶界富Ｃｒ碳化物量不足，未起到强化作用。相关研究表明，富Ｃｒ碳化物沿晶分布能够阻碍晶界滑移，但缺点是会导致界面结合强度降低，尤其在高温下，当温度超过材料等强温度时，晶界强度会低于晶内强度，优先在晶界处形成裂纹。螺栓作为阀板与导轨连接件，承受较大的轴向应力，螺纹齿根部位由于其特殊形状加上高温合金所具有的缺口敏感性，易受到应力集中影响。该螺栓在７００℃下长期服役，在奥氏体晶界产生蠕变空洞，空洞随着变形不断进行，逐渐长大、集聚形成微裂纹；同时阀板在轨道滑动时，螺栓也会承受较大的剪切应力，剪切应力和轴向应力共同作用加速了微裂纹的连接和扩展，最终导致螺栓沿晶蠕变断裂。

3、螺栓断裂的原因分析

四个螺栓的断裂机理是蠕变断裂。两个螺栓具有20 Cr 1 mo 1 vtib、2个螺栓3和4以及25 Cr 2 mov和3，其级别低于原始设计材料(20 Cr 1 mo 1 v 1)。螺栓的工作温度约为540℃，用于螺栓螺纹1根部的应力集中程度较高的滑动环境。在高温下，零件将创建蠕变或微蠕变。这些蠕变或蠕变微裂纹会逐渐从螺栓中心移动，直到导致螺栓断裂。蠕变断裂与机械疲劳断裂一样，由裂纹形成、逐渐发展和最终断裂三个阶段组成，但断裂形式不同于机械疲劳断裂。蠕变断裂通常以黑色氧化，裂纹可见，但不发生疲劳延伸。断裂末端面积小，断裂的塑性变形不明显。在宏观层面上，它很容易被误认为易碎品一次。高温螺栓第一螺纹根部的蠕变断裂是最常见的损伤形式，2号机组仅累计运行65次。一千小时。高压蒸汽阀主螺栓和中压调节阀螺栓断裂并明显失效。原因必须由螺栓装配过程和螺栓材料性能决定。蠕变失败的另一个重要因素是安装过程中的过度预先加载，这进一步加剧了螺栓的损坏程度。连接的螺栓具有均匀分布的力特性和较高的刚性，当外部力小于同一凸缘上的螺栓紧固力时，会导致不同的应力，从而导致螺栓在同一凸缘上过早地产生高强度拉伸。承受相同载荷条件的螺栓的蠕变寿命主要取决于材料的强度和强度，从而产生不同的蠕变断裂强度性能。在本试验中，n型高压蒸汽阀主螺栓的硬度和强度。1和n。2和螺栓n拉伸试验塑料指数。4未达到标准下限，螺栓材料n。3比原设计材料低，因强度不足提前断裂。同时，通过高压蒸汽阀主螺栓现场硬度试验，结果表明，尽管螺栓硬度合格，但仍较低。

4、控制措施

(1)为保证烟机设备的长周期运行，必须了解备品备件供应商的生产流程和质量控制体系，以确保螺栓的生产和检验符合dl/t 439 - 2018要求，从而提高进口螺栓的性能。同时，应加强螺栓验收检查，根据产品标准严格控制其质量检查顺序，包括化学成分、低性能组织和高性能组织。一般来说只对高温螺栓进行光谱分析，而光谱分析只能对某些元素进行半定量分析，不能保证螺栓的全部化学成分符合要求。高温螺栓断裂表明需要分析螺栓的化学成分。因此，除了对所有新螺栓进行光谱检查外，建议增加螺栓化学成分分析的抽样检查。(2)高温螺栓在使用前必须检查，表面不得有凹痕、裂纹等，可能导致应力集中缺陷，必要时可检测为穿透物、磁粉、超声波等。必须报废十字螺栓。(3)汽轮机紧固件运行金属技术监理过程中，应进行宏观检验、无损检验、硬度检验和金属组织检验。对于经常拆卸的螺栓，应缩短检查周期。对于无效螺栓，必须将检查延伸至相同的位置、材料和其他规格相同的螺栓。

结束语

该汽轮机的高温螺栓的晶粒较粗大，且长期在高温高压环境下服役，造成碳化物逐步析出、材料冲击韧性下降，在机组启、停机及机组负荷波动带来的冲击应力下，该高温螺栓发生了脆性断裂。

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