圖 1 壓縮機干氣密封盤斷裂螺柱及新螺柱外觀
分享：乙烯裝置離心壓縮機干氣密封盤螺柱斷裂原因
乙烯三機組(裂解氣壓縮機、乙烯制冷壓縮機、丙烯制冷壓縮機)是乙烯裂解裝置的關(guān)鍵核心設備,其直接影響著裝置的安全穩(wěn)定生產(chǎn)和長周期運行,密封氣波動是影響乙烯三大機組安全運行的典型故障[1]。
某100萬t/a乙烯裝置三機組干氣密封盤螺柱發(fā)生斷裂現(xiàn)象,斷裂螺柱所在法蘭位于壓縮機附近,每個法蘭上有4個螺柱。斷裂螺柱及新螺柱外觀如圖1所示,現(xiàn)場一共8個法蘭上的螺柱斷裂。法蘭所在管道內(nèi)的壓力為 3.8 MPa,管道內(nèi)部分區(qū)域溫度為 20～30 ℃,其他區(qū)域溫度為30～50 ℃。法蘭外表面無銹蝕,但法蘭與螺柱接觸的位置發(fā)生銹蝕,法蘭和螺柱材料均為不銹鋼,牌號為A2－70。法蘭所在的管道通入壓縮機,介質(zhì)有裂解氣、乙烯、氮氣等,通入不同類型介質(zhì)管道的法蘭螺柱均開裂。筆者采用宏觀觀察、化學成分分析、金相檢驗、硬度測試、掃描電鏡(SEM)和能譜分析等方法對螺柱斷裂原因進行分析,以防止該類問題再次發(fā)生。
1. 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
斷裂螺柱斷口宏觀形貌如圖2所示,送檢的8組雙頭螺柱中,一組是完好的,一組有裂紋但未完全斷開,其他6組彎曲斷開,且裂紋均位于中間螺桿處。除 4,5號螺柱外,起裂位置距螺紋1.5 cm左右,4,5號螺柱起裂位置距螺紋1.0 cm左右。除 5號螺柱外,中間螺桿長度均約為3.5 cm,5號螺柱中間螺桿長度約為2.0 cm。所有送檢螺柱上均有不同程度的銹跡,螺母表面較為干凈,與螺紋連接的內(nèi)螺紋表面有少許銹蝕產(chǎn)物。所有斷口均無塑性斷裂特征。
圖 2 斷裂螺柱斷口宏觀形貌
1.2 化學成分分析
通過火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)對斷裂螺柱和螺母以及新螺柱和螺母的化學成分進行分析,結(jié)果如表1所示。由表1可知：斷裂螺柱的碳、錳元素的質(zhì)量分數(shù)比其螺母高,尤其是碳元素的質(zhì)量分數(shù)更高。斷裂螺柱及螺母材料為304不銹鋼。斷裂螺柱的碳元素質(zhì)量分數(shù)均不符合標準GB/T 1220—2007 《不銹鋼棒》的要求；新螺柱和螺母的碳元素質(zhì)量分數(shù)均符合標準GB/T 1220—2007的要求。
Table 1. 斷裂螺柱和新螺柱的化學成分分析結(jié)果
| 項目 | 質(zhì)量分數(shù) | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| C | Si | Mn | P | S | Cr | Ni | Mo | Ti | |
| 1號螺柱實測值 | 0.130 | 0.41 | 1.18 | 0.035 | 0.009 | 18.09 | 7.78 | 0.06 | 0.006 9 |
| 2號螺柱實測值 | 0.170 | 0.42 | 1.18 | 0.035 | 0.015 | 18.09 | 7.91 | 0.10 | 0.001 9 |
| 3號螺柱實測值 | 0.130 | 0.41 | 1.18 | 0.037 | 0.009 | 18.11 | 7.74 | 0.06 | 0.006 9 |
| 4號螺柱實測值 | 0.130 | 0.41 | 1.17 | 0.029 | 0.008 | 18.02 | 7.74 | 0.06 | 0.007 0 |
| 5號螺柱實測值 | 0.130 | 0.40 | 1.18 | 0.034 | 0.009 | 18.07 | 7.74 | 0.06 | 0.007 0 |
| 6號螺柱實測值 | 0.130 | 0.04 | 1.18 | 0.035 | 0.009 | 18.03 | 7.79 | 0.06 | 0.006 8 |
| 7號螺柱實測值 | 0.140 | 0.41 | 1.18 | 0.033 | 0.009 | 18.00 | 7.84 | 0.06 | 0.007 0 |
| 8號螺柱實測值 | 0.130 | 0.41 | 1.19 | 0.033 | 0.008 | 18.08 | 7.77 | 0.06 | 0.006 9 |
| 2號螺母實測值 | 0.027 | 0.33 | 0.85 | 0.034 | 0.001 | 18.41 | 8.29 | 0.09 | 0.001 9 |
| 5號螺母實測值 | 0.028 | 0.38 | 1.05 | 0.032 | 0.002 | 18.51 | 7.93 | 0.02 | 0.007 2 |
| 6號螺母實測值 | 0.030 | 0.33 | 0.81 | 0.043 | 0.003 | 18.66 | 7.73 | 0.04 | 0.007 2 |
| 1號新螺柱實測值 | 0.040 | 0.04 | 1.10 | 0.036 | 0.007 | 18.39 | 7.89 | 0.03 | 0.006 9 |
| 2號新螺柱實測值 | 0.040 | 0.43 | 0.83 | 0.025 | 0.002 | 18.28 | 7.98 | 0.01 | 0.006 9 |
| 3號新螺柱實測值 | 0.040 | 0.36 | 1.13 | 0.041 | 0.006 | 18.29 | 7.84 | 0.04 | 0.006 5 |
| 1號新螺母實測值 | 0.030 | 0.40 | 0.89 | 0.031 | 0.003 | 18.22 | 8.05 | 0.10 | 0.007 3 |
| 2號新螺母實測值 | 0.020 | 0.31 | 1.05 | 0.032 | 0.004 | 18.20 | 7.96 | 0.05 | 0.006 6 |
| 3號新螺母實測值 | 0.040 | 0.39 | 0.88 | 0.039 | 0.003 | 18.27 | 8.06 | 0.07 | 0.007 0 |
| 標準值 | ≤0.08 | ≤1.00 | ≤2.00 | ≤0.045 | ≤0.030 | 18.00～20.00 | 8.00～11.00 | — | — |
1.3 金相檢驗和硬度測試
2號斷裂螺柱的斷口附近有二次裂紋,在垂直于裂紋方向截取金相試樣,在新螺柱上截取金相試樣,將2號斷裂螺柱試樣和新螺柱試樣置于光學顯微鏡下觀察,結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：裂紋沿晶分布,且呈樹枝狀擴展特征；2號斷裂螺柱晶粒度為9.2 級,螺母晶粒度為4.2級；新螺柱晶粒度為9.5級,新螺母晶粒度分別為6.0,2.5,4.5級。
圖 3 斷裂螺柱和新螺柱的微觀形貌
利用草酸電解法對斷裂螺柱和螺母試樣的抗晶間腐蝕能力進行評估,之后采用雙環(huán)電化學動電位再活化測量法進行進一步驗證,結(jié)果表明,原螺母幾乎沒有敏化,而斷裂螺柱發(fā)生了敏化,螺柱的晶間腐蝕敏感性較高,新螺柱沒有晶間腐蝕敏感性。
對金相試樣進行維氏硬度測試[2],結(jié)果如圖4所示,由圖4可知：測點處的硬度較高。
圖 4 斷裂螺柱的維氏硬度測試結(jié)果
1.4 斷口微觀形貌
對螺柱裂紋斷口進行掃描電鏡和能譜分析,結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：斷口形貌主要呈沿晶分布特征,斷口晶界表面可見腐蝕產(chǎn)物附著；能譜分析顯示斷口表面含有硫、氯等腐蝕性介質(zhì)元素。
圖 5 3,4號斷裂螺柱斷口SEM形貌和能譜分析結(jié)果
2. 綜合分析
斷裂螺柱斷裂位置均為雙頭螺柱的中間光桿處,裂紋大致與軸向垂直或呈較大的角度,斷口呈沿晶斷裂特征。斷裂螺柱外表面有明顯銹蝕痕跡,螺母表面無銹蝕痕跡；斷口存在硫、氯等腐蝕性介質(zhì)元素；斷裂螺柱和螺母的材料成分差異較大,尤其是碳元素含量[3]。斷裂螺柱的碳元素含量明顯超出標準的規(guī)定；斷裂螺柱組織嚴重敏化,晶間腐蝕敏感性很高。
材料發(fā)生應力腐蝕開裂是材料、環(huán)境和力學等多因素耦合作用的結(jié)果,需要特定材料、腐蝕介質(zhì)和拉伸力等3個基本條件[4]。當含水的腐蝕性介質(zhì)進入對接法蘭之間的縫隙后,介質(zhì)接觸到嚴重敏化的雙頭螺柱中部的光桿位置,造成表面局部發(fā)生微小腐蝕；在螺柱緊固應力的共同作用下,應力腐蝕裂紋自腐蝕位置起裂并沿徑向沿晶擴展,直至螺柱斷裂。結(jié)合現(xiàn)場實際工況,碳元素含量高和材料敏化是導致螺柱耐蝕性下降的主要原因。通過更換碳元素含量合格且無晶間腐蝕敏感性的新螺柱螺母,能夠有效減輕或避免螺柱發(fā)生腐蝕開裂。
3. 結(jié)語
斷裂螺柱裂紋呈沿晶分布特征,而且裂紋呈樹枝狀擴展；裂紋斷面存在硫、氯等腐蝕性介質(zhì)元素。結(jié)合工藝操作對斷裂原因進行分析,由于不銹鋼螺柱碳元素含量高且材料敏化,抗晶間腐蝕能力下降。含水的腐蝕性介質(zhì)接觸到嚴重敏化的雙頭螺柱中部的光桿位置,使材料表面局部發(fā)生微小腐蝕,最終在螺柱緊固應力的共同作用下,螺柱發(fā)生應力腐蝕開裂。
文章來源——材料與測試網(wǎng)
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