局部腐蚀如何导致石化重催装置安全阀弹簧断裂？让我们一起来看看吧！
2019-03-08 12:01:48
作者：张辉 来源：《理化检验—物理分册》
背景
广州某石化厂重催装置使用的安全阀异常起跳，迫使整套装置非计划停机，经拆卸检查发现安全阀弹簧多处断裂。
使用情况
已知安全阀型号为A42YＧ40，公称通径为DN100mm，材料不明，工作介质为气态烃（干气），工作压力为1.66MPa，工作温度为300℃。该重催装置自1990年投入运行至今未发生其余异常情况。
理化检验
01宏观检查
宏观检查发现，安全阀弹簧断裂成5段，形成4对断口，如图1所示。
图1 断裂弹簧宏观形貌
其中断口A位于安全阀远离介质端，另外3个断口（B，C，D）位于安全阀近介质端。从断口宏观形貌可见，4个断口均表面齐整，未见明显塑性变形，其中：断口A处弹簧内弧面附近有一椭圆形区域表面腐蚀比较严重，断口棱线指向该区域，可以判断该区域为裂纹缓慢扩展区，见图2；断口B表面腐蚀严重，弹簧内弧面附近区域的腐蚀程度比外弧面附近的要严重，见图3；断口C同样从内弧面附近向外弧面呈放射状扩展，见图4。
图2 A2断面形貌
图3 B1断面形貌
图4 C2断面形貌
02化学成分分析
对断裂弹簧取样使用直读光谱仪进行化学成分分析。
表1 化学成分分析结果（质量分数）％
由表1可以看出，弹簧的化学成分与GB/T 1222-2007《弹簧钢》中的50CrVA钢成分最为接近，符合该材料的成分要求。
03硬度测试
抽取断裂弹簧A2断面附近横截面、C1断面附近横截面以及2段非断面处横截面进行硬度测试。
表2 硬度测试结果
HBW10/3000
由表2可见：A2断面附近横截面硬度平均值约为497HBW 10/3000，C1断面附近横截面硬度平均值约为514HBW 10/3000，非断面处横截面硬度平均值约为423HBW 10/3000，可见弹簧断面处的硬度比非断面处的要高。
04金相检验
对A2断面附近横向截面取样进行金相分析可见，弹簧的显微组织为回火马氏体，外表面附近局部存在偏析，见图5。
图5 A2断面附近横截面显微组织形貌
对A2断面附近纵向截面取样进行金相分析可见，A2断面中部的显微组织主要为纤维状马氏体，其中A2断面内侧椭圆形区域（裂纹缓慢扩展区）存在一定数量的裂纹，见图6。
图6 A2断面纵向截面起裂区低倍组织形貌
对裂纹处进行局部放大观察可见，裂纹为沿晶扩展，见图7。
图7 A2断面纵向截面裂纹处显微组织形貌
05断口扫描电镜分析
由图8可知，A2断口分为两个明显的区域，弹簧内弧面附近有一块相对平整的椭圆形区域，其余为外侧放射状区域；断面内侧平整区域基本被腐蚀产覆盖，见图9；外侧放射状区域腐蚀产物相对较少，断口相对新鲜，断口呈沿晶断裂特征，见图10。
图8 A2断面SEM低倍形貌
图9 A2断面内侧平整区SEM形貌
图10 A2断面外侧放射状区域SEM形貌
B2断口表面基本被腐蚀产物覆盖，表面呈泥状花样，见图11。C1和D1断面纹理呈放射状，断口表面亦基本被腐蚀产物覆盖，与B2断面形貌特征相似。
图11 B2断面SEM形貌
06能谱分析
对A2，B2，C1，D1断口表面腐蚀产物进行能谱（EDS）分析。
表3 能谱分析结果（质量分数）%
由表3可见，断口表面物质主要元素成分为碳、氧、硫、铬、锰、铁；A2断面内侧椭圆形区域的硫和氧元素含量明显高于外侧放射状区域的，据此可进一步判断，内侧椭圆形区域为裂纹缓慢扩展区（旧断口），外侧放射状区域为新断口。
07X射线衍射分析
对弹簧A2断面表面覆盖的腐蚀产物取样，使用X射线衍射仪（XRD）进行分析。结果表明：断口表面覆盖物主要组成成分为FeS，说明工作介质中含有H2S，据此可判断弹簧发生了H2S腐蚀，见图12。
图12 断口表面覆盖物XRD谱
综合分析
安全阀工作的介质气态烃中含有一定体积分数的H2S，由于弹簧起跳等原因，导致高温干汽中的H2S在安全阀壳体内长时间滞留，在由高温冷却的过程中会凝结少量空气中的水分，形成湿H2S还原性气氛，在经过长期运行后弹簧表面的镀锌防腐层会遭到腐蚀环境的破坏，即湿H2S对弹簧基体产生腐蚀。能谱分析和X射线衍射分析结果表明，弹簧表面和断口表面均存在含硫的腐蚀产物（FeS），说明该弹簧已经遭受了长时间的H2S腐蚀。在湿H2S环境中，H2S腐蚀阴极反应释出氢原子，氢与拉应力共同作用，在弹簧表面偏析和夹杂物区域富集而导致开裂。
弹簧钢属于中碳钢，断面处显微组织为马氏体，强度较高，硬度偏大，是应力腐蚀的敏感区，较容易发生应力腐蚀开裂。同时，由于弹簧服役时存在较高的剪切应力，在这些载荷和H2S环境的共同作用下，弹簧表面逐渐形成应力腐蚀裂纹（SCC），裂纹不断扩展，当弹簧剩余截面的强度小于其所承受的载荷时，便会发生最终的脆性断裂。
结论及建议
弹簧服役时表面镀锌层发生局部腐蚀，使弹簧钢基体暴露在服役环境中，加之弹簧断裂区显微组织为脆性较大的马氏体，在湿H2S环境和较高的剪切应力作用下，弹簧发生了沿晶应力腐蚀开裂。为避免再次发生应力腐蚀开裂，应保持弹簧钢表面镀锌层的完好，隔绝环境气体同金属的直接接触，尽量降低弹簧钢内部夹杂物的含量，严格执行热处理工艺，并保持安全阀密封面完好。
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