溶剂再生塔顶后冷器浮头法兰与钩圈连接螺栓断裂原因分析

齐景隆

（中化泉州石化有限公司）

螺栓作为常见的机械零件，是由头部和螺杆两部分组成的一类紧固件，主要用于紧固连接两个带有通孔的零件［1］。

某石化公司硫磺回收联合装置溶剂再生单元Ⅳ系列再生塔顶后冷器运行2周后，该装置上多根浮头法兰与钩圈的连接螺栓发生了断裂。

为了找出螺栓断裂原因，笔者通过对失效螺栓进行宏观检查、化学成分分析、力学性能分析、金相分析、扫描电镜（SEM）及能谱分析（EDS），探究其开裂失效的原因，并为减少此类失效的发生提出了意见建议。

某石化公司硫磺回收联合装置溶剂再生单元Ⅳ系列再生塔顶后冷器在大检修结束运行2周后，出现后冷器循环水压力升高、回流罐的液位不断上升的现象。

停车检修发现，浮头法兰与钩圈的24根连接螺栓中有11根发生了断裂，且多数断裂于光杆部位， 未断裂螺栓的螺母发生松动。螺栓的规格为M24 mm×260 mm，材料为40Cr。

后冷器主要技术参数见表1。

表1 后冷器主要技术参数

2.1 宏观检查

图1为螺栓宏观形貌。

由图1a可见1#螺栓表面未见明显裂纹，2#螺栓断裂于光杆与螺纹过渡处的第1个螺纹牙底， 断口附近区域未见明显塑性变形，3#螺栓断裂于光杆部位；
3个螺栓光杆表面均存在明显的机加工痕迹，且光杆与螺纹表面均附着有黑色腐蚀产物，局部腐蚀产物已发生脱落（图1b、c）。

图1 螺栓宏观形貌

2.2 化学成分分析

来样螺栓的化学成分分析结果见表2。

结果表 明：1#、2#、3# 螺 栓 化 学 成 分 均 符 合GB/T 3077—2015《合金结构钢》对40Cr材料的要求。

表2 螺栓化学成分分析结果 wt%

2.3 力学性能分析

2.3.1 拉伸试验

来样螺栓的室温拉伸试验结果见表3。

试验结果表明：螺栓的规定非比例延伸强度、断后伸长率、断面收缩率均符合GB/T 3077—2015《合金结构钢》对40Cr材料的要求，抗拉强度低于标准要求。

表3 室温拉伸试验结果

2.3.2 硬度分析

螺栓硬度检测结果见表4，表中给出了2#、3#螺栓近表面区、1/2半径区、芯部、近牙顶区和近牙底区的布氏硬度。

由该表可见，2#、3#螺栓硬度高于GB/T 3077—2015《合金结构钢》对40Cr材料调质态硬度的规定（不大于HB207）。

查阅螺栓的产品质量合格证可见螺栓的硬度为HRC29，转换为布氏硬度为HB273，2#螺栓近表面区、1/2半径区和芯部布氏硬度高于质量合格证硬度值，近牙顶和近牙底区硬度低于质量合格证硬度值，3#螺栓近表面区、1/2半径区、芯部、近牙顶区和近牙底区硬度低于质量合格证硬度值。

表4 螺栓硬度（HB）检测结果

2.4 金相分析

图2为2#螺栓断口附近区域轴向截面裂纹形貌和金相组织。

可见断口与轴向的夹角约呈10°，裂纹启裂于螺纹牙底， 断口附近区域存在5条由断口向螺栓内部沿晶扩展的二次裂纹。

近表面区、1/2半径区和芯部金相组织均为回火索氏体。

图2 2#螺栓断口附近区域轴向截面裂纹形貌和金相组织

图3为2#螺栓断口左侧2 mm处的径向截面形 貌和金相组织。

图3 2#螺栓断口左侧2 mm处的径向截面形貌和金相组织

由图3可以看出， 螺栓可见光杆部位近表面区呈凹坑形貌，组织为回火索氏体。

图4为2#螺栓光杆与螺纹过渡处光杆侧径向截面形貌和金相组织。

由图4可以看出，螺栓光杆与螺纹过渡处光杆表面存在腐蚀凹坑， 组织与JX2组织相同。

图4 2#螺栓光杆与螺纹过渡处光杆侧径向截面形貌和金相组织

图5为3#螺栓断口左侧2 mm处的径向截面形貌和金相组织。

由图可以看出，3#螺栓断口左侧2 mm处的径向截面的组织与2#螺栓相似， 均为回火索氏体。

图5 3#螺栓断口左侧2 mm处的径向截面形貌和金相组织

图6为3#螺栓光杆与螺纹过渡处轴向截面形貌和金相组织。

可见螺纹牙底和牙顶均存在腐蚀凹坑，组织为回火索氏体，局部区域存在白色的块状铁素体。

图6 3#螺栓光杆与螺纹过渡处轴向截面形貌和金相组织

图7所示为2#螺栓和3#螺栓中非金属夹杂物 的形貌。

图7 2#、3#螺栓非金属夹杂物形貌

根据GB/T 10561—2005《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》 可知，2#螺栓的夹杂物级别为A2.5、D2；
3#螺栓的夹杂物级别为A2.5、B1.5、D2。

2.5 扫描电镜及能谱分析

2.5.1 断口分析

2.5.1.1 宏观断口分析

图8为2#、3#螺栓的断口宏观形貌。

由图可以看出2#、3#螺栓断口未见明显塑性变形， 表面均覆盖着黑色腐蚀产物；
2#、3#螺栓的断裂面均具有3个特征区域，即裂纹源区、裂纹扩展区和瞬断区。

其中，裂纹源区和裂纹扩展区均较平整，裂纹扩展区存在放射状花样， 该花样收敛于螺栓表面，表明螺栓启裂于螺栓的表面。

结合宏观分析可知，2#、3#螺栓裂纹分别启裂于螺纹牙底、光杆表面。

图8 螺栓断口宏观形貌

2.5.1.2 微观断口分析

图9为2#螺栓断口SEM形貌。

可见原始断口表面附着有大量的腐蚀产物，断口具有晶间型断裂特征（图9a）；
清洗后的2#螺栓断口可见明显的晶间断裂形貌， 且表面存在大量的二次裂纹，裂纹沿晶扩展，符合脆性开裂的特征（图9b）。

图9 2#螺栓断口SEM形貌

图10所示为3#螺栓断口SEM形貌。

由图可以看出3#螺栓原始断口表面存在大量沟槽状腐蚀凹坑，整个断面覆盖有腐蚀产物（图10a）；
清洗后的3#螺栓断口表面与2#螺栓相近，主裂纹面呈沿晶断裂的特点， 存在大量沿晶扩展的二次裂纹（图10b）。

图10 3#螺栓断口SEM形貌

2.5.2 能谱分析

2.5.2.1 腐蚀产物能谱分析

采用能谱仪对2#、3#螺栓断口表面的腐蚀产物进行能谱分析，分析结果见表5。

由表5所列的分析结果可以看出，2#、3#螺栓断口表面的腐蚀产物均以铁的硫化物和铁的氧化物为主，2#螺栓含K、Ca、Na等杂质元素，3#螺栓含K、Ca、Zn等杂质元素；
断口表面S含量由表面至芯部逐渐减少，2#、3#螺栓断口表面S含量分别高达29.25wt%、44.28wt%。

表5 螺栓表面及断口主要元素分析结果 wt%

2.5.2.2 夹杂物能谱分析

用能谱仪对螺栓中的夹杂物进行能谱分析，分析部位如图11所示，分析结果见表6。

由分析结果可知，螺栓中的长条状夹杂为MnS。

表6 夹杂物主要元素能谱分析结果 wt%

图11 螺栓夹杂物能谱分析部位

综上所述，螺栓材料的化学成分符合标准要求，室温拉伸试验结果表明螺栓的强度低于标准要求，断口附近区域轴向金相分析可见存在多条沿晶扩展的二次裂纹，断口扫描电镜分析表明主裂纹呈沿晶扩展形貌。

根据NACE RP-04-72和API RP-492 标准， 材料的硬度小于HRC22（HB227）时才能抵抗应力腐蚀开裂，而来样螺栓的硬度高于标准要求， 使其对应力腐蚀开裂敏感；

溶剂再生塔顶后冷器壳程介质为酸性气，主要含H2S、CO2、H2O， 使浮头法兰与钩圈连接螺栓运行于H2S-CO2-H2O腐蚀性环境， 介质温度为40～55 ℃，处于湿硫化氢环境下易发生硫化物应力腐蚀开裂的敏感温度范围内；
螺纹牙底和光杆部位机加工凹槽处存在应力集中，螺栓在安装时施加的预紧力形成的轴向拉应力和壳程的工作应力为螺栓的断裂提供了应力条件。

因此，螺栓的断裂满足应力腐蚀的3个条件，即敏感的金属材料、特定的腐蚀介质和足够大的应力［2～5］。

最终，在应力与腐蚀性介质的共同作用下，螺栓发生了湿硫化氢环境下的硫化物应力腐蚀开裂，扫描电镜及能谱分析发现的沿晶断口和大量的硫化物也证实了这一结论。

经分析可知， 运行于湿硫化氢环境下的螺栓，在预紧力和壳程的工作应力的共同作用下发生了硫化物应力腐蚀开裂。

因此，在今后的设计中建议：选用硬度低于HRC22的螺栓；
控制螺栓光杆部位的表面光洁度；

尽可能降低材料中的Mn、S、P元素含量；

控制螺栓的安装过程预紧力，使用扭力扳手实现；
严格按螺栓的装配顺序安装螺栓。