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鍵核心設備,其直接影響著裝置的安全穩定生產和長周期運行,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生斷裂現象,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,現場一共8個法蘭上的螺柱斷裂。法蘭所在管道內的壓力為 3.8 MPa,管道內部分區域溫度為 20～30 ℃,其他區域溫度為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,介質有裂解氣、乙烯、氮氣等,通入不同類型介質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生。 

圖  1  壓縮機干氣密封盤斷裂螺柱及新螺柱外觀

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,與螺紋連接的內螺紋表面有少許銹蝕產物。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射光譜法(常規法)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,結果如表1所示。由表1可知：斷裂螺柱的碳、錳元素的質量分數比其螺母高,尤其是碳元素的質量分數更高。斷裂螺柱及螺母材料為304不銹鋼。斷裂螺柱的碳元素質量分數均不符合標準GB/T 1220—2007 《不銹鋼棒》的要求；新螺柱和螺母的碳元素質量分數均符合標準GB/T 1220—2007的要求。 

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,之后采用雙環電化學動電位再活化測量法進行進一步驗證,結果表明,原螺母幾乎沒有敏化,而斷裂螺柱發生了敏化,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物附著；能譜分析顯示斷口表面含有硫、氯等腐蝕性介質元素。 

圖  5  3,4號斷裂螺柱斷口SEM形貌和能譜分析結果

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定；斷裂螺柱組織嚴重敏化,晶間腐蝕敏感性很高。 

材料發生應力腐蝕開裂是材料、環境和力學等多因素耦合作用的結果,需要特定材料、腐蝕介質和拉伸力等3個基本條件[4]。當含水的腐蝕性介質進入對接法蘭之間的縫隙后,介質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。結合現場實際工況,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生腐蝕開裂。 

3.   結語

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、氯等腐蝕性介質元素。結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,使材料表面局部發生微小腐蝕,最終在螺柱緊固應力的共同作用下,螺柱發生應力腐蝕開裂。 

文章來源——材料與測試網