汽提塔不銹鋼冷凝器作為烷基化裝置的組成部分，其中含有腐蝕性很強(qiáng)的HF酸介質(zhì)，HF酸對烷基化裝置有一定的危害性。此批螺栓在安裝一段時(shí)間后，有部分螺栓發(fā)生了斷裂。該螺栓的材質(zhì)是35CrMoA鋼。螺栓斷裂失效后，法蘭處發(fā)生泄漏，產(chǎn)生的泄漏介質(zhì)對環(huán)境和設(shè)備產(chǎn)生了很大危害，所以分析螺栓斷裂原因，對保證螺栓的安全可靠性具有一定的意義。找到螺栓失效原因，在以后的生產(chǎn)過程中可有效避免螺栓斷裂失效而造成不必要的損失。本文對螺栓進(jìn)行了各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，確定了螺栓斷裂的形式和原因。

1實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果

1.1斷裂螺栓宏觀斷口形貌

圖1為螺栓整體形貌?？煽闯觯菟ㄔ诳勐菁y處斷裂，并且兩斷面有一定的傾斜角度。如圖2螺栓斷口宏觀形貌所示，螺栓上存在灰白色腐蝕產(chǎn)物，螺栓斷面有紅褐色銹跡附著于斷口表面，斷口表面有放射條紋，則放射條紋的收斂處為裂紋源。裂紋源位于螺栓表面，斷裂向螺栓內(nèi)部擴(kuò)展，并且在斷口上有人字紋，無應(yīng)力集中時(shí)人字紋尖端逆指向裂紋源。在擴(kuò)散區(qū)明顯存在疲勞弧線，可見疲勞弧線收斂的光滑區(qū)為裂紋源，擴(kuò)散區(qū)存在疲勞臺(tái)階，可判斷其為多源疲勞。瞬斷區(qū)斷面傾斜45。角，斷口沿較大剪切應(yīng)力平面擴(kuò)展。

1.2斷裂螺栓斷口的微觀形貌觀察

對螺栓進(jìn)行除銹后，采用掃描電鏡對螺栓斷面進(jìn)行微觀觀察。如圖3瞬斷區(qū)所示，瞬斷區(qū)為沿晶為主+韌窩的混合斷裂形貌；如圖4、5所示，裂紋源區(qū)、多源疲勞擴(kuò)展區(qū)為韌窩斷裂特征，斷口裂紋源區(qū)未見冶金加T痕跡。

1.3螺栓金相組織觀察

在斷裂螺栓光桿段上取樣、磨制、拋光和化學(xué)侵蝕后在光學(xué)顯微鏡下觀察。由圖6螺栓金相組織可見，斷裂螺栓顯微組織為細(xì)小馬氏體，碳化物含量較多。

1.4螺栓縱截面裂紋形貌分析

圖7為螺栓縱截面斷口附近裂紋金相形貌，圖8、9為螺栓縱截面斷口附近裂紋掃描電鏡形貌。綜合可以看出，裂紋的走向是沿著多源疲勞擴(kuò)展區(qū)擴(kuò)展方向開裂，這與斷口處裂紋臺(tái)階形成的原理一致。

圖8、9中顯示的裂紋中存在較粗的主裂紋及沿著主裂紋分叉的較多的、細(xì)小的二次微裂紋。若把螺栓斷裂處看作沿著主裂紋開裂，斷口縱截面發(fā)現(xiàn)的多條裂紋為沿著斷裂處開裂的微裂紋，則可推斷出斷口處的裂紋臺(tái)階由多源疲勞擴(kuò)展產(chǎn)生的多條裂紋發(fā)散而形成。

1.5螺栓裂紋附近腐蝕產(chǎn)物的XRD分析

為了分析圖1中螺栓斷裂處螺紋附近附著的灰白色腐蝕產(chǎn)物成分，對其進(jìn)行XRD分析，結(jié)果如圖10所示，得出螺栓斷口處裂紋附近的灰白色腐蝕產(chǎn)物為FeF2。

1.6螺栓裂紋附近腐蝕產(chǎn)物的能譜分析

由圖11中腐蝕產(chǎn)物的能譜分析結(jié)果可知，裂紋處含有的夾雜物既含有35CrMoA鋼中所含有的正常元素，也含有F、C、N、0等其他元素。根據(jù)圖10中XRD中對腐蝕產(chǎn)物的分析，其中有含F(xiàn)的物相，圖中也含有F元素?？膳袛?，裂紋中存在含F(xiàn)元素的腐蝕產(chǎn)物。推斷出，由于HF酸的影響，螺栓承受一定的應(yīng)力，在應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的共同作用下，使螺栓產(chǎn)生了應(yīng)力腐蝕：圖11顯示含有大量C、0元素，可推斷在汽提塔不銹鋼冷凝器泄漏后，部分介質(zhì)污染了斷裂螺栓的表面，介質(zhì)中的有機(jī)物滲入到裂紋中，從而導(dǎo)致其腐蝕產(chǎn)物中含有C、0兀素。

2螺栓斷裂原因分析

從對該螺栓進(jìn)行宏觀斷口分析發(fā)現(xiàn)，螺栓斷口面與螺栓的中軸線保持垂直。該螺栓無明顯的塑性變形和彎曲變形，斷裂由扣螺紋處螺栓的外表面向中間延伸，裂紋源靠近螺栓外表面，泄漏的腐蝕介質(zhì)較先接觸螺栓的光桿，并首先流過光桿到達(dá)扣螺紋處，而扣螺紋處應(yīng)力較為集中，從而在應(yīng)力腐蝕的作用下，扣螺紋處開始萌生裂紋，裂紋逐漸擴(kuò)展，較終發(fā)生疲勞斷裂。螺栓表面無明顯的缺陷，螺栓斷口處斷面上存在腐蝕產(chǎn)物，具有應(yīng)力腐蝕特征。

汽提塔不銹鋼冷凝器使用的這種螺栓是高強(qiáng)度鋼，對應(yīng)力腐蝕的敏感性較強(qiáng)。而其工作環(huán)境中容器內(nèi)的介質(zhì)含有強(qiáng)腐蝕性的催化劑HF酸，在生產(chǎn)過程中，法蘭處產(chǎn)生介質(zhì)泄漏，HF酸對設(shè)備中的金屬材料很易產(chǎn)生腐蝕：而不銹鋼冷凝器的T作壓力達(dá)到2.4MPa，螺栓安裝在不銹鋼冷凝器法蘭處一直處于預(yù)緊態(tài)，承受著一定的拉應(yīng)力，以上3個(gè)條件都是螺栓產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的必要條件。對螺栓進(jìn)行微觀分析，發(fā)現(xiàn)斷裂多為沿晶斷裂（圖3為沿晶斷裂形貌）；裂紋中間含有腐蝕產(chǎn)物：較粗的主裂紋上有較多的分叉，這些分叉就是萌生的微裂紋，這些微裂紋沿著主裂紋延伸并垂直于應(yīng)力方向。以上是應(yīng)力腐蝕斷裂的3個(gè)微觀形貌特征。這些特征都可證明螺栓斷裂的原因是應(yīng)力腐蝕引起的。

3結(jié)語

汽提塔不銹鋼冷凝器螺栓斷裂的主要原因是應(yīng)力腐蝕，在墊片失效后，介質(zhì)發(fā)生泄漏，在腐蝕介質(zhì)作用下，螺栓在表面萌生裂紋。并且在裂紋疲勞擴(kuò)展的過程中，泄漏介質(zhì)始終起到應(yīng)力腐蝕作用，較終產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕斷裂。

為防止此類事故的發(fā)生，應(yīng)該采用適當(dāng)防腐材料，并提高螺栓的加工處理要求，盡量保持螺栓表面的光滑平整。