三循冷却塔风机轮毂螺栓断裂分析.pdf

石油和化工设备
54
2014年第17卷
腐防护
三循冷却塔风机轮轂螺栓斷裂分析
王志亮,浦江,郭培杰,王志成,许力伟
(江苏省特种设备安全监督检验研究院,江苏南京210036)
[摘要]对断裂的三循冷却塔风机轮毂夹板螺栓进行宏观检查、化学成分分析和拉仲试验,并对断口进行腐蚀产物分析、
扫描电镜分析、金相和硬度检测。检查及分析结果表明:螺栓的化学成分和力学性能满足要求,螺栓在碱性腐蚀介质和疲
劳载荷(振动)的共同作用下,发生了腐蚀疲劳开裂,腐蚀凹坑产生的应力集中和螺栓表面的脱碳加快了这种开裂过程。
[关键词]风机;轮毂螺栓;腐蚀疲劳;开裂;分析
某化工厂三循冷却塔L85A型轴流式风机叶
片轮毂夹板紧固螺栓在使用两个月后突然发生断
裂。风机为8叶片,单夹板式,叶轮直径为中8532
mm,风机转速136r/min,风量262×10m3h;
每个夹板上有M20×320螺栓4个,螺栓材质为
35CrMo,螺栓接触介质为循环水。根据厂方资
料,风机处环境温度40℃左右,湿度较大,且螺
图22螺栓及其断□形貌
栓下部存在积液现象。
从图1和图2可以看出:螺栓断口及断口附
1断裂螺栓宏观分析及化学成分
近未见明显变形,宏观表现为工程脆断,排除螺
栓纯机械剪切断裂的可能。另外断口覆盖腐蚀产
物,经仔细观察发现隐约有类似“海滩花样”特
征。根据宏观特征初步分析,断裂原因可能是腐
蚀疲劳。
表1为断裂螺栓和35CrMo标准螺栓的化学成
分,可以看出:1#和2“螺栓的化学成分满足标准
要求。
图11'螺栓及其断口形貌
由于1“螺栓断口受到碰撞,2“螺栓断口保存
相对完整,因此对2“螺栓断口进行电镜分析。
表1350rMo螺栓化学成分
(%)
C
S
P
S
Mr
Cr
1螺栓
0.337
0.012
0.015
0.258
0.479
0.85
0.174
2“螺栓
0.32
0.011
0.02
0.267
0.466
0.82
0.170
30Mb标准值」0.320.40≤0.035≤0.0350.170.37「0.400,70」0.801.1010.150.25
2螺栓的力学性能
试验结果见表2。从表2可以看出:螺栓材料的抗
由于螺栓尺寸限制,加工非标小试样在MTS拉强度和伸长率满足标准的要求。
试验机上进行拉伸试验,获得其机械性能,非标
小试样见图3,其加工符合GB/T228.1-2010《金属
“““““
作者简介:王志亮(1979-),男,江苏南京人,硕士研究生,
材料拉伸试验第1部分:室温试验方法》。拉伸
工程师。主要从事承压设备的检验和研究工作。
第期
王志亮等三循冷却塔风机轮轂螺栓断裂分析
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表2拉伸试验结果
试样编号抗拉强度(IPa)」伸长率(%)
1100.0
1051.0
23.4
标准值
≥924.0
≥18.0
果见表3,从表中可以看出:腐蚀产物中含有大
量的O、Na和Zn元素,根据工厂提供的循环水质
报告显示,其pH=8.9,可以确定腐蚀与碱有关
由于螺纹中介质流动性差,碱会在其中聚集浓
图3拉伸试样图
缩,并达到相当的浓度,对金属造成严重的局部
腐蚀,形成腐蚀凹坑,这些凹坑处易产生应力集
3腐蚀产物分析
中,首先开裂,一且裂纹形成,腐蚀介质会渗入
从螺纹牙缝隙中取下腐蚀产物进行分析,结其中,加速开裂进程,导致快速断裂。
表3腐蚀产物EDS分析结果
元素
0
Na
Al
Si
Fe
ln
Wt%
15.85
12.77
0.77
0.54
0.86
41.82
27.40
腐蚀产物中的锌应该来自螺栓外表面的涂
层。螺栓表面腐蚀产物中尚能找到大量防锈漆中
的锌元素,说明螺栓外表面的均匀腐蚀导致螺栓
直径减少并不严重,这与宏观观察结果相一致。
4扫描电镜分析
将2断裂螺栓经超声波清洗后进行电镜观察,
清洗后的断口见图4。由于表面腐蚀严重,已无法
看到断裂的原始特征,起裂区密布腐蚀产物,可
见大量“泥状花纹”,见图5。扩展区上存在大量
“台阶”,见图6。这些“台阶”由位于螺纹根
部的外表面向内扩展,直至有效承载面积不足,
发生突然断裂,终断区较小,呈约45°剪切唇特
图5起裂区“泥状花纹”
征,见图7。
经区
展区
裂
区位
于蜜
部
图4清洗后的断口形貌(2
图6扩展区“海滩花样”
石油和化工设备
-56■腐蚀防护
2014年第17卷
0 um
图7经断区(剪切唇约45)
图8螺栓近外表面处金相组织
考虑到在断裂螺栓位置发现积液,可以确定
风机空气中带水严重。而空气带水是造成风机震『基体年で硬度
动的重要原因,震动产生交变载荷,因此确定断
裂属于腐蚀疲劳断裂。一般而言,腐蚀疲劳断裂
的速度比纯机械断裂速度快得多,甚至可以相差
几个数量级,因此螺栓在使用2个月就发生了断
裂
脱碳层维氏硬度只有Y202
5金相和硬度分析
金相分析结果表明,断口附近组织为回火索
氏体,见图8。在螺栓外表面存在着约100um深
?00
的碳层,基体硬度约为HV317,而脱碳层硬度只
有约HV200,见图9。螺栓在使用前一般都经过热
图9螺纹外表面脱碳层
处理,但是如果热处理不当,会在表面形成脱碳
螺纹牙槽中富集浓缩,导致局部腐蚀凹坑,腐蚀
层,降低了材料的表面硬度,从而导致表面抗疲
凹坑产生的应力集中和螺栓表面的脱碳加快了疲
劳性能下降,在疲劳载荷作用下容易出现开裂。
劳裂纹的形成,因此螺栓在腐蚀介质十疲劳载荷的
另外,在外表面还观察到腐蚀凹坑,腐蚀凹作用下发生腐蚀疲劳开裂。
坑的存在会造成应力集中,加速腐蚀疲劳开裂。
般而言,如果收水器工作良好,空气中
6结论和建议
不会存在严重的带水,更不会出现积液现象,因
由于断口腐蚀严重,未找到疲劳辉纹这种直此建议对收水器进行检查,如有损坏,应及时维
接证据,但是根据断口宏观特征以及腐蚀产物,
修,消除空气带水现象。同时,对购进的螺栓进
扫描电镜和金相分析,可以确定其断裂原因为腐行金相检验,避免使用有表面脱碳现象的螺栓,
蚀疲劳开裂。其开裂过程可描述为:由于风机工以提高螺栓的抗疲劳性能。
作时空气带水较严重,出现震动,导致连接螺栓
工作时受到疲劳载荷作用。加之碱性腐蚀介质在收稿日期:2013-09-29,修回日期:2013-108