Bultfel är ett typiskt tillförlitlighetsproblem i petrokemisk utrustning och hög-temperatur-, hög-värmeväxlarutrustning under lång-drift. Dubbla-bultar, som viktiga fästkomponenter i tätningsstrukturerna för värmeväxlare med flytande huvud, kondensorer och tryckkärl, påverkar direkt utrustningens totala driftsstabilitet. En kylare med flytande huvud i regenereringssystemet på ett oljeraffinaderi fick bultbrott efter 16 års drift. Detta fodral uppvisar typiska egenskaper för korrosionsutmattning och spänningskorrosionskoppling, vilket ger ett viktigt referensvärde för att förstå felmekanismen hos fästelement i våta H2S-miljöer.
Utrustningen fungerade under följande förhållanden: temperatur på cirkulerande vatten på skalets-sida på 90–100 grader, en sur gastemperatur på rörsidan på-sidan på 30–35 grader och driftstryck på 0,2 MPa respektive 0,4 MPa. Mediet innehöll en viss andel H2S och salt frätande media. Bultspecifikationen var M20×2,5 mm, och materialet var 35CrMoA härdat och härdat stål. Under de kombinerade effekterna av långvarig-omväxlande termisk påkänning, monteringsförspänning och medelhög korrosion, sprack den dubbla-bulten så småningom vid roten av gängan.
Makroskopisk observation avslöjade att brottytan var belägen i trådrotsområdet, med en relativt jämn morfologi och ingen uppenbar makroskopisk plastisk deformation. Svarta korrosionsprodukter fäste på ytan. Efter rengöring uppvisade brottytan typiska utmattningsutbredningsegenskaper, med sprickan som härrörde från gängroten och fortplantade sig inåt i en vinkel på ungefär 20 grader. Den gick sedan in i en snabb utbredningszon som uppvisade ett radiellt mönster, vilket slutligen resulterade i omedelbar fraktur. Denna morfologiska egenskap indikerar att felprocessen för den dubbla maskinskruven involverade flera steg: korrosionsutmattning, spänningskorrosionssprickor och momentana brott.
Analys av kemisk sammansättning visade att materialet som helhet uppfyllde kraven i 35CrMoA-standarden, vilket indikerar att felet inte orsakades av onormal sammansättning. Hårdhetstestning visade att Double Ended Lag Bolt hade en relativt hög total hårdhet, med matrisstrukturen huvudsakligen sammansatt av härdad sorbit, och nådde en lokal nivå på 350–360 HV, vilket är högre än det rekommenderade intervallet för konventionella fästelement. Metallografisk analys visade vidare en viss grad av avkolning på gängytan, med ett avkolat lager på cirka 31 μm. Ytmikrostrukturen var övervägande ferrit. Denna typ av heterogen struktur leder lätt till lokaliserad spänningskoncentration under stress, vilket inducerar sprickinitiering.
Analys av svepelektronmikroskopi (SEM) avslöjade vidare brottmekanismen hos den dubbeländade sexkantsbulten. Uppenbara utmattningsstrimmor observerades i sprickinitieringsområdet, och korrosionsprodukter fyllde sprickan under fortplantningen. När sprickutbredningshastigheten ökade, övergick sprickytan gradvis från utmattningsutbredning till spänningskorrosionssprickbildningsegenskaper, vilket uppvisade typisk kvasi-klyvning och radiell utbredningsmorfologi, vilket indikerar att det korrosiva mediet deltog i sprickutbredningsprocessen. Energidispersiv spektroskopi (EDS) analys visade att korrosionsprodukterna innehöll höga halter av svavel och små mängder klorid, vilket tyder på betydande sulfid- och kloridkorrosion i servicemiljön
Omfattande analys indikerar att detta fel är ett typiskt problem med korrosionsutmattning och sulfidspänningskorrosionssprickbildning orsakat av kopplingen av flera faktorer. Dess bildningsmekanism manifesteras huvudsakligen i tre aspekter.
För det första, stressfaktorer. Den gängade tappen med dubbla-ändar utsätts för hög förbelastning under montering, vilket resulterar i betydande axiell dragspänning vid gängroten. Samtidigt introducerar den flytande huvudstrukturen ytterligare böjspänning. Under drift håller termisk spänning från expansion och kontraktion, vibrationsbelastningar från medelflöde och cyklisk belastning under uppstart och avstängning skruvbulten i ett tillstånd av höga spänningsfluktuationer under långa perioder, vilket påskyndar sprickinitiering och fortplantning.
För det andra spelar materiella faktorer en roll. Medan 35CrMoA-stål har hög hållfasthet, är det mycket känsligt för väte-inducerad sprickbildning och sulfidspänningskorrosion vid hög hårdhet. Relevanta standarder indikerar att i miljöer som innehåller H2S-, minskar spänningskorrosionsbeständigheten hos hög-hållfast stål avsevärt om hårdheten överskrider ett visst intervall. I det här fallet har den dubbla -hylsskruven överdriven hårdhet och uppvisar lokala avkolningsdefekter, vilket ytterligare minskar ytsprickmotståndet och bildar ett typiskt sprickinitieringsområde.
För det tredje är miljöfaktorer betydande. Mediet innehåller H2S, fukt och salter, vilket leder till komplexa korrosionsreaktioner under elektrokemiska förhållanden. Den anodiska processen genererar Fe2+, som kombineras med svaveljoner för att bilda FeS-korrosionsprodukter. Samtidigt kan väteatomer som genereras av den katodiska reaktionen diffundera in i stålet, vilket inducerar väteförsprödning och blåsbildningseffekter. Under den kombinerade verkan av stress och korrosion fortplantar sig sprickor gradvis vid roten av den dubbla -skruvgängan, vilket accelererar fel.
Dessutom förvärrar volymexpansionseffekten av korrosionsprodukter sprickutbredningen av dubbla-gängade skruvar ytterligare. Volymen av korrosionsprodukter är vanligtvis 2 till 4 gånger den ursprungliga volymen, vilket skapar ytterligare expansionsspänning i den slutna sprickan. Detta gör att spänningen vid sprickspetsen kontinuerligt ökar, vilket påskyndar brottprocessen. Denna positiva återkopplingsmekanism för "korrosions-stress-utbredning är en nyckelegenskap för denna typ av fel.
Sammanfattningsvis är denna typ av dubbel-skruvbrott huvudsakligen resultatet av de kombinerade effekterna av strukturell spänningskoncentration, materialkänslighet och den korrosiva miljön. För liknande förhållanden bör omfattande förbättringar göras, inklusive minskning av hårdhetskänsligheten för M10-skruvar med dubbla-ändar, optimering av värmebehandlingsprocesser, kontroll av förspänningsnivåer och förbättring av tätnings- och korrosionsskyddsdesign, för att förbättra den långsiktiga drifttillförlitligheten för strukturen.
För ytterligare information om felmekanismen analys avdubbla-huvudbultareller anpassade rekommendationer för val av fästelement, kontakta vårt tekniska team för teknisk support och lösningar som är skräddarsydda för dina specifika behov.
Kontakta oss
