氨精馏塔重沸器浮头螺栓断裂原因分析*

薛 磊，梁 斌

（1.中国石油化工股份有限公司金陵分公司，江苏 南京 210033；2.南京市锅炉压力容器检验研究院，江苏 南京 210019）

浮头式换热器的管板可在壳体内自由移动，适用于管程、壳程的介质温差较大以及壳程介质易结垢的环境。相比于固定管板式换热器，在实际生产中，浮头处于封闭环境，发生泄漏不易检查处理［1］。某石化公司污水汽提装置氨精馏塔重沸器浮头螺栓使用不足2 a即发生断裂，使用寿命远低于螺栓设计寿命。该重沸器壳程进口压力1.473 MPa，出口压力1.6 MPa，进口温度158℃，出口温度177.7℃，介质为氨水（含硫化氢）；管程进口压力1.0 MPa，出口压力1.35 MPa，进口温度280℃，出口温度184℃，介质为蒸汽。浮头螺栓材质为40Cr钢。为查明原因，避免类似事故再次发生，对断裂螺栓进行了失效分析。

1 宏观分析

螺栓断裂于中部螺柱部位，两端螺纹牙槽内有黑色腐蚀产物，不易剥落。断口侧面有多条裂纹，呈撕裂状，裂纹方向与轴线约成45°夹角，断裂形貌见图1。螺栓断口表面粗糙，呈暗黑色，存在腐蚀痕迹，未见明显塑性变形，具有脆性断裂特征，断口形貌见图2。

图1 断裂螺栓

图2 螺栓断口宏观形貌

2 化学成分分析

在远离断口位置横向取样进行化学成分光谱分析，分析结果见表1。由表1可知，螺栓材料化学成分符合GB/T 3077—2015标准对40Cr钢要求［2］。

表1 螺栓材质的化学成分 w，%

3 硬度测定

GB/T 3077—2015标准规定调质状态40Cr钢硬度值不大于207HBW。在断口一侧横向取样，进行洛氏硬度测定，外表面和心部硬度平均值均大于24 HRC（247 HBW），高于标准规定的上限值，螺栓硬度偏高（测定结果见表2）。

表2 螺栓洛氏硬度测定结果 HRC

4 金相分析

在远离断口位置横向取样后进行金相检测，结果如图3所示。结果表明，螺栓显微组织为马氏体位向分布的回火索氏体+少量回火贝氏体+骨架状铁素体+颗粒状渗碳体，与40Cr调质钢显微组织存在差异，可能是淬火冷却速率低或回火温度和时间不足造成的［3］。

图3 螺栓金相显微组织

经过断面纵向取样，观察断裂螺栓纵截面微观形貌，发现大量树枝状裂纹，见图4（a），具有应力腐蚀开裂特征［4］。在主裂纹右侧临近螺栓外表面发现阶梯状微裂纹，见图4（b），有扩展连接趋势，具有氢致开裂特征［5］。

图4 螺栓断口纵向截面裂纹微观形貌

5 扫描电镜观察

在扫描电镜下观察螺栓断口外表面和心部的微观形貌，如图5所示。由图5可知，螺栓微观断口呈河流状花样，可见较多的二次裂纹，晶面可见微孔和解理小刻面，为脆性断裂特征［6］。对断面腐蚀产物进行能谱分析，结果见表3。由表3可知，腐蚀产物以铁和氧元素为主，还含有较高的硫元素，可以认为螺栓断裂与介质环境有关。

表3 断口腐蚀产物能谱分析结果 w，%

图5 螺栓断口扫描电镜形貌

6 分析与讨论

化学成分分析结果表明，螺栓材质成分合格。金相分析及硬度测定结果表明，螺栓显微组织与正常的40Cr调质态组织存在差异，且硬度均值偏高，应是热处理工艺控制不当所致。在断口纵向截面位置，发现树枝状裂纹和阶梯状裂纹，符合硫化氢应力腐蚀开裂及氢致开裂特征。微观断口呈解理状的脆性断裂，腐蚀产物中存在较高的硫元素。由于重沸器壳程介质为含硫化氢的氨水，浮头螺栓实际长期处于潮湿的硫化氢环境中，钢在湿硫化氢环境中会发生电化学反应［7］：

阳极反应：

二次过程：

或Fe2++HS-■→FeS+H+

阴极反应：

阴极反应生成的氢极易向钢中渗透并扩散，导致材料脆化，产生氢致裂纹，应力集中会促进氢的扩散，加速裂纹的产生和扩展［8］。在拉伸应力作用下，当环境中硫化氢浓度达到阈值，即促使硫化氢应力腐蚀发生［9］。NACE RP 0472标准和APIRP 492标准中规定，在湿硫化氢环境中承受拉伸载荷的钢件硬度值小于22 HRC才能有效抵抗硫化氢应力腐蚀开裂［10］。显然，该螺栓的硬度偏高，造成材料应力腐蚀敏感性增大。

综上所述，换热器浮头的工作方式意味着螺栓长期处于壳程介质湿硫化氢环境中，由于螺栓显微组织与正常调质后的回火索氏体存在差异，且硬度偏高，致使材料抗硫化氢应力腐蚀性能下降。螺栓紧固后，在预紧力作用下将承受一定的拉应力，当环境中硫化氢介质浓度不断增大，一方面与钢材发生电化学反应，导致氢扩散，产生氢致裂纹；另一方面又会促使硫化氢应力腐蚀的发生。再者，氢扩散产生的内压又促进了应力腐蚀，使裂纹快速扩展，导致螺栓断裂失效。

7 结 论

重沸器浮头螺栓断裂形式为解理状脆性断裂，断裂机理为湿硫化氢应力腐蚀。长期处于湿硫化氢环境中，螺栓材料产生氢损伤，出现氢致裂纹。由于热处理不当，螺栓显微组织与调质态40Cr钢存在差异且硬度偏高，材料抗硫化氢应力腐蚀性能不足，在拉伸应力作用下，发生了湿硫化氢应力腐蚀，造成螺栓断裂失效。因此，应合理选择螺栓材质，控制材料硬度水平，同时紧固浮头螺栓时预紧力不能过大，防止应力腐蚀的发生。