乙烯三機(jī)組(裂解氣壓縮機(jī)、乙烯制冷壓縮機(jī)、丙烯制冷壓縮機(jī))是乙烯裂解裝置的關(guān)鍵核心設(shè)備,其直接影響著裝置的安全穩(wěn)定生產(chǎn)和長(zhǎng)周期運(yùn)行,密封氣波動(dòng)是影響乙烯三大機(jī)組安全運(yùn)行的典型故障[1]。

某100萬(wàn)t/a乙烯裝置三機(jī)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(jī)附近,每個(gè)法蘭上有4個(gè)螺柱。斷裂螺柱及新螺柱外觀如圖1所示,現(xiàn)場(chǎng)一共8個(gè)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(wú)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(hào)為A2－70。法蘭所在的管道通入壓縮機(jī),介質(zhì)有裂解氣、乙烯、氮?dú)獾?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(xué)成分分析、金相檢驗(yàn)、硬度測(cè)試、掃描電鏡(SEM)和能譜分析等方法對(duì)螺柱斷裂原因進(jìn)行分析,以防止該類問(wèn)題再次發(fā)生。

圖 1壓縮機(jī)干氣密封盤斷裂螺柱及新螺柱外觀

1. 理化檢驗(yàn)

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(hào)螺柱外,起裂位置距螺紋1.5 cm左右,4,5號(hào)螺柱起裂位置距螺紋1.0 cm左右。除 5號(hào)螺柱外,中間螺桿長(zhǎng)度均約為3.5 cm,5號(hào)螺柱中間螺桿長(zhǎng)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(wú)塑性斷裂特征。

圖 2斷裂螺柱斷口宏觀形貌

1.2 化學(xué)成分分析

通過(guò)火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)對(duì)斷裂螺柱和螺母以及新螺柱和螺母的化學(xué)成分進(jìn)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?jǐn)?shù)比其螺母高,尤其是碳元素的質(zhì)量分?jǐn)?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?jǐn)?shù)均不符合標(biāo)準(zhǔn)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?jǐn)?shù)均符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1220—2007的要求。

1.3 金相檢驗(yàn)和硬度測(cè)試

2號(hào)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(hào)斷裂螺柱試樣和新螺柱試樣置于光學(xué)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(kuò)展特征；2號(hào)斷裂螺柱晶粒度為9.2 級(jí),螺母晶粒度為4.2級(jí)；新螺柱晶粒度為9.5級(jí),新螺母晶粒度分別為6.0,2.5,4.5級(jí)。

圖 3斷裂螺柱和新螺柱的微觀形貌

利用草酸電解法對(duì)斷裂螺柱和螺母試樣的抗晶間腐蝕能力進(jìn)行評(píng)估,之后采用雙環(huán)電化學(xué)動(dòng)電位再活化測(cè)量法進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證,結(jié)果表明,原螺母幾乎沒(méi)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(méi)有晶間腐蝕敏感性。

對(duì)金相試樣進(jìn)行維氏硬度測(cè)試[2],結(jié)果如圖4所示,由圖4可知：測(cè)點(diǎn)處的硬度較高。

圖 4斷裂螺柱的維氏硬度測(cè)試結(jié)果

1.4 斷口微觀形貌

對(duì)螺柱裂紋斷口進(jìn)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(jiàn)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 53,4號(hào)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(wú)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(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定；斷裂螺柱組織嚴(yán)重敏化,晶間腐蝕敏感性很高。

材料發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂是材料、環(huán)境和力學(xué)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(gè)基本條件[4]。當(dāng)含水的腐蝕性介質(zhì)進(jìn)入對(duì)接法蘭之間的縫隙后,介質(zhì)接觸到嚴(yán)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(yīng)力的共同作用下,應(yīng)力腐蝕裂紋自腐蝕位置起裂并沿徑向沿晶擴(kuò)展,直至螺柱斷裂。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況,碳元素含量高和材料敏化是導(dǎo)致螺柱耐蝕性下降的主要原因。通過(guò)更換碳元素含量合格且無(wú)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(yǔ)

斷裂螺柱裂紋呈沿晶分布特征,而且裂紋呈樹枝狀擴(kuò)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(duì)斷裂原因進(jìn)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(yán)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(yīng)力的共同作用下,螺柱發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。

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