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局部腐蝕如何導致石化重催裝置安全閥彈簧斷裂？讓我們一起來看看吧！

2019-03-08 12:01:48 作者：張輝來源：《理化檢驗—物理分冊》分享至：

背景

廣州某石化廠重催裝置使用的安全閥異常起跳，迫使整套裝置非計劃停機，經拆卸檢查發現安全閥彈簧多處斷裂。

使用情況

已知安全閥型號為A42YＧ40，公稱通徑為DN100mm，材料不明，工作介質為氣態烴（干氣），工作壓力為1.66MPa，工作溫度為300℃。該重催裝置自1990年投入運行至今未發生其余異常情況。

理化檢驗

01宏觀檢查

宏觀檢查發現，安全閥彈簧斷裂成5段，形成4對斷口，如圖1所示。

圖1 斷裂彈簧宏觀形貌

其中斷口A位于安全閥遠離介質端，另外3個斷口（B，C，D）位于安全閥近介質端。從斷口宏觀形貌可見，4個斷口均表面齊整，未見明顯塑性變形，其中：斷口A處彈簧內弧面附近有一橢圓形區域表面腐蝕比較嚴重，斷口棱線指向該區域，可以判斷該區域為裂紋緩慢擴展區，見圖2；斷口B表面腐蝕嚴重，彈簧內弧面附近區域的腐蝕程度比外弧面附近的要嚴重，見圖3；斷口C同樣從內弧面附近向外弧面呈放射狀擴展，見圖4。

圖2 A2斷面形貌

圖3 B1斷面形貌

圖4 C2斷面形貌

02化學成分分析

對斷裂彈簧取樣使用直讀光譜儀進行化學成分分析。

表1 化學成分分析結果（質量分數）％

由表1可以看出，彈簧的化學成分與GB/T 1222-2007《彈簧鋼》中的50CrVA鋼成分最為接近，符合該材料的成分要求。

03硬度測試

抽取斷裂彈簧A2斷面附近橫截面、C1斷面附近橫截面以及2段非斷面處橫截面進行硬度測試。

表2 硬度測試結果

HBW10/3000

由表2可見：A2斷面附近橫截面硬度平均值約為497HBW 10/3000，C1斷面附近橫截面硬度平均值約為514HBW 10/3000，非斷面處橫截面硬度平均值約為423HBW 10/3000，可見彈簧斷面處的硬度比非斷面處的要高。

04金相檢驗

對A2斷面附近橫向截面取樣進行金相分析可見，彈簧的顯微組織為回火馬氏體，外表面附近局部存在偏析，見圖5。

圖5 A2斷面附近橫截面顯微組織形貌

對A2斷面附近縱向截面取樣進行金相分析可見，A2斷面中部的顯微組織主要為纖維狀馬氏體，其中A2斷面內側橢圓形區域（裂紋緩慢擴展區）存在一定數量的裂紋，見圖6。

圖6 A2斷面縱向截面起裂區低倍組織形貌

對裂紋處進行局部放大觀察可見，裂紋為沿晶擴展，見圖7。

圖7 A2斷面縱向截面裂紋處顯微組織形貌

05斷口掃描電鏡分析

由圖8可知，A2斷口分為兩個明顯的區域，彈簧內弧面附近有一塊相對平整的橢圓形區域，其余為外側放射狀區域；斷面內側平整區域基本被腐蝕產覆蓋，見圖9；外側放射狀區域腐蝕產物相對較少，斷口相對新鮮，斷口呈沿晶斷裂特征，見圖10。

圖8 A2斷面SEM低倍形貌

圖9 A2斷面內側平整區SEM形貌

圖10 A2斷面外側放射狀區域SEM形貌

B2斷口表面基本被腐蝕產物覆蓋，表面呈泥狀花樣，見圖11。C1和D1斷面紋理呈放射狀，斷口表面亦基本被腐蝕產物覆蓋，與B2斷面形貌特征相似。

圖11 B2斷面SEM形貌

06能譜分析

對A2，B2，C1，D1斷口表面腐蝕產物進行能譜（EDS）分析。

表3 能譜分析結果（質量分數）%

由表3可見，斷口表面物質主要元素成分為碳、氧、硫、鉻、錳、鐵；A2斷面內側橢圓形區域的硫和氧元素含量明顯高于外側放射狀區域的，據此可進一步判斷，內側橢圓形區域為裂紋緩慢擴展區（舊斷口），外側放射狀區域為新斷口。

07X射線衍射分析

對彈簧A2斷面表面覆蓋的腐蝕產物取樣，使用X射線衍射儀（XRD）進行分析。結果表明：斷口表面覆蓋物主要組成成分為FeS，說明工作介質中含有H2S，據此可判斷彈簧發生了H2S腐蝕，見圖12。

圖12 斷口表面覆蓋物XRD譜

綜合分析

安全閥工作的介質氣態烴中含有一定體積分數的H2S，由于彈簧起跳等原因，導致高溫干汽中的H2S在安全閥殼體內長時間滯留，在由高溫冷卻的過程中會凝結少量空氣中的水分，形成濕H2S還原性氣氛，在經過長期運行后彈簧表面的鍍鋅防腐層會遭到腐蝕環境的破壞，即濕H2S對彈簧基體產生腐蝕。能譜分析和X射線衍射分析結果表明，彈簧表面和斷口表面均存在含硫的腐蝕產物（FeS），說明該彈簧已經遭受了長時間的H2S腐蝕。在濕H2S環境中，H2S腐蝕陰極反應釋出氫原子，氫與拉應力共同作用，在彈簧表面偏析和夾雜物區域富集而導致開裂。

彈簧鋼屬于中碳鋼，斷面處顯微組織為馬氏體，強度較高，硬度偏大，是應力腐蝕的敏感區，較容易發生應力腐蝕開裂。同時，由于彈簧服役時存在較高的剪切應力，在這些載荷和H2S環境的共同作用下，彈簧表面逐漸形成應力腐蝕裂紋（SCC），裂紋不斷擴展，當彈簧剩余截面的強度小于其所承受的載荷時，便會發生最終的脆性斷裂。

結論及建議

彈簧服役時表面鍍鋅層發生局部腐蝕，使彈簧鋼基體暴露在服役環境中，加之彈簧斷裂區顯微組織為脆性較大的馬氏體，在濕H2S環境和較高的剪切應力作用下，彈簧發生了沿晶應力腐蝕開裂。為避免再次發生應力腐蝕開裂，應保持彈簧鋼表面鍍鋅層的完好，隔絕環境氣體同金屬的直接接觸，盡量降低彈簧鋼內部夾雜物的含量，嚴格執行熱處理工藝，并保持安全閥密封面完好。

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責任編輯：韓鑫