浮头式换热器连接螺栓失效分析

姜 勇，葛志强，陈佳栋，巩建鸣

（南京工业大学 机械与动力工程学院，南京210009）

某厂浮头式换热器内连接螺栓在使用不到半年即发生大量断裂，造成介质泄漏，严重影响生产安全。该换热器管程介质为循环水，工作温度40℃，压力0.5MPa；壳程介质为经软化处理的急冷水，工作温度80℃，压力0.5MPa，急冷水中含有H2S和CO2，浓度不详。浮头紧固螺栓的材料是1Cr18Ni9（相当于ASTM302）不锈钢。为了查明紧固螺栓断裂原因，选取两根进行分析。

1 理化检验及结果

1.1 宏观断口特征

失效螺栓宏观特征如图1，断裂位于螺栓中部光滑部分，呈脆性断裂特征，1号螺栓主裂纹方向与轴线垂直，2号螺栓主裂纹方向与轴线方向约成45°夹角。2根螺栓断口表面平整，表面覆盖铁锈红色和黑色腐蚀产物。根据断口纹路走向确定螺栓断裂是从外表面起裂，向内扩展，直至断裂（图1）。

图1 断裂螺栓断口宏观形貌Fig.1 Macro-morphology of fracture bolts

1.2 化学成分分析

化学成分分析结果表明（表1），铬含量低于标准要求。奥氏体不锈钢中铬元素是保证不锈钢具有优良的耐蚀性的主要元素［1］，它通过形成致密的Cr2O3钝化膜隔绝腐蚀介质，保护作用，铬元素含量偏低，将大大降低材料的耐腐蚀性能。

表1 螺栓材料的化学成分Tab.1 Chemical composition of the bolt %

1.3 金相分析

沿轴线方向切取试样，为更好观察裂纹的走向，仅对金相试样进行轻度侵蚀。结果表明，断口附近密布二次裂纹，裂纹沿晶扩展，见图2（a），（b）。螺栓材料组织发生严重敏化，晶界可见大量碳化物析出，螺栓芯部除了存在敏化以外，还可见大量聚集态析出相，见图2（c），说明该材料不但在固溶处理时温度偏低［2］，而且时间偏短，碳化物未充分溶解，导致基体合金化程度差，不能充分发挥材料的潜在性能。

图2 螺栓微观组织Fig.2 Metallographic structure of bolt（a） crack morphology near the outer surface（b） metallographic structure of the fracture surface near outer surface（c） metallographic structure of the center

1.4 螺栓微观硬度测量

在断口附近垂直于轴线取样，进行整个螺栓截面的微观硬度分析，检测位置见图3，测量结果见表2。由硬度值的比较可知，螺栓边缘起裂部位的硬度最高（①点和②点），达到350HV，往芯部硬度略有下降，芯部硬度值有所上升。螺栓的整体硬度值明显高于奥氏体不锈钢规定值。硬度越高，材料应力腐蚀开裂敏感性越强，越容易发生应力腐蚀开裂，这是起裂位置在①，②点附近的原因［3］。

图3 微观硬度测量分布图Fig.3 Microhardness test point distribution

表2 螺栓材料硬度测试结果Tab.2 The hardness of bolt material HV

1.5 电镜（SEM）分析

断口宏观形貌如图4所示，由图4未见塑性变形，表现出宏观脆断特征。螺栓起裂点位于螺栓的外表面向芯部扩展，直至最终断裂，终断区表现为剪切唇特征，见图4右上角。

图4 螺栓断口宏观形貌Fig.4 Macro-morphology of the fracture surfacet

对断口形貌进一步放大（图5），启裂位置覆盖腐蚀产物，表现为泥状花样特征，见图5（a），芯部可见冰糖块状特征，属于典型沿晶断裂的形貌，断口上还可以观察到大量的沿晶二次裂纹，见图5（b）。

断口腐蚀产物能谱分析显示（表3），螺栓断口边缘聚集大量的硫元素，向螺栓芯部，硫元素逐渐减少，考虑到急冷水中含有的H2S，确定为H2S引起的晶间应力腐蚀开裂［4］。

2 断裂原因分析

结合化学成分、微观组织以及断口形貌等综合分析，确定该换热器螺栓发生了晶间应力腐蚀开裂。致使螺栓在较短的时间里发生断裂的原因主要有以下几个方面：

图5 螺栓的SEM形貌Fig.5 SEM morphology of bolt（a） corrosion character in the fracture surface（b）intergranular cracking in the center of fracture surface

表3 断口上腐蚀产物的能谱分析结果Tab.3 Result of EDS analysis of corrosion products on the fracture

（1）螺栓材料铬含量偏少，导致所用材料抗腐蚀能力下降；

（2）材料发生敏化，导致碳化物沿晶界析出，不但消耗了晶界附近的铬元素，形成贫铬区，降低了晶界附近晶粒的抗腐蚀性能［5-6］，而且由于碳化物与晶粒的腐蚀电位不同，导致电偶腐蚀的出现，也会加剧沿晶腐蚀的发生；

（3）另外奥氏体不锈钢硬度提高，韧性降低，会提高其应力腐蚀开裂敏感性和氢致开裂的敏感性［7］；

（4）有研究表明，在工业生产中，H2S和CO2联合作用导致的腐蚀是普遍存在的严重问题［8］，即使是2205双相钢也会发生沿晶应力腐蚀开裂［9］。

本案例中的急冷水中含有的H2S和CO2形成腐蚀环境，在螺栓紧固时的工作应力作用下，不锈钢螺栓最终发生了晶间应力腐蚀开裂。其腐蚀机理可以写成：

CO2溶于水生成碳酸，其基本的电化学腐蚀机理为［10-11］：

CO2会降低溶液的pH，促进了螺栓的阴极析氢过程。

生成的氢会在钢中扩散，并在“陷阱处”聚集，形成H2，导致材料脆断。当H2S／CO2共存时，在一定条件下CO2对腐蚀会起促进作用。

3 结论及建议

（1）换热器螺栓的断裂为晶间应力腐蚀开裂。

（2）材料中铬含量偏低，组织发生敏化以及高硬度，导致螺栓抗蚀性能下降。

（3）工艺介质水中含有的H2S以及CO2联合作用，促进了其侵蚀性，最终在安装应力的共同作用下导致螺栓发生沿晶应力腐蚀开裂。

（4）鉴于以上分析，建议在保证螺栓强度的前提下选用合格的不易发生敏化的低碳奥氏体不锈钢螺栓，同时严格控制工作介质中的有害杂质含量，严格控制螺栓的紧固力，避免应力腐蚀开裂的发生。

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