Defecțiunea șuruburilor este o problemă tipică de fiabilitate în echipamentele petrochimice și de schimb de căldură de-temperatură înaltă,-înaltă presiune în timpul funcționării pe termen lung-. Șuruburile cu două-capete, ca componente cheie de fixare în structurile de etanșare ale schimbătoarelor de căldură cu cap plutitor, condensatoarelor și recipientelor sub presiune, au un impact direct asupra stabilității operaționale generale a echipamentului. Un răcitor cu cap plutitor din sistemul de regenerare al unei rafinării de petrol a suferit o defecțiune a șuruburilor după 16 ani de funcționare. Această carcasă prezintă caracteristici tipice ale cuplajului de coroziune la oboseală și coroziune sub tensiune, oferind o valoare de referință importantă pentru înțelegerea mecanismului de defectare a elementelor de fixare în medii umede cu H2S.
Echipamentul a funcționat în următoarele condiții: temperatură a apei în circulație pe partea carcasei de 90–100 de grade, temperatura gazului acid din partea tubului-de 30–35 de grade și presiuni de funcționare de 0,2 MPa și, respectiv, 0,4 MPa. Mediul conținea o anumită proporție de H2S și medii corozive săruri. Specificația șurubului a fost M20 × 2,5 mm, iar materialul a fost 35CrMoA oțel călit și călit. Sub efectele combinate ale tensiunii termice alternative pe termen lung, preîncărcării ansamblului și coroziunii medii, șurubul cu două-capete s-a fracturat în cele din urmă la rădăcina filetului.
Observația macroscopică a relevat că suprafața de fractură era situată în regiunea rădăcinii firului, cu o morfologie relativ netedă și fără deformare plastică macroscopică evidentă. Produsele de coroziune negre au aderat la suprafață. După curățare, suprafața de fractură a prezentat caracteristici tipice de propagare a oboselii, fisura având originea la rădăcina firului și propagă spre interior la un unghi de aproximativ 20 de grade. Apoi a intrat într-o zonă de propagare rapidă care prezintă un model radial, ducând în cele din urmă la o fractură instantanee. Această caracteristică morfologică indică faptul că procesul de defectare a șurubului de mașină cu două capete a implicat mai multe etape: oboseală prin coroziune, fisurare prin coroziune sub tensiune și fractură instantanee.
Analiza compoziției chimice a arătat că materialul în ansamblu a îndeplinit cerințele standardului 35CrMoA, ceea ce indică faptul că defecțiunea nu a fost cauzată de o compoziție anormală. Testele de duritate au arătat că șurubul de închidere cu două capete a avut o duritate generală relativ mare, cu structura matricei compusă în principal din sorbit temperat, atingând un nivel local de 350–360 HV, care este mai mare decât intervalul recomandat pentru elementele de fixare convenționale. Analiza metalografică a relevat în continuare un anumit grad de decarburare pe suprafața filetului, cu un strat decarburat de aproximativ 31 μm. Microstructura de suprafață a fost predominant ferită. Acest tip de structură eterogenă duce cu ușurință la concentrarea localizată a tensiunilor sub stres, inducând astfel inițierea fisurii.
Analiza microscopiei electronice cu scanare (SEM) a dezvăluit în continuare mecanismul de rupere a șurubului hexagonal dublu. S-au observat striații evidente de oboseală în regiunea de inițiere a fisurii, iar produsele de coroziune au umplut fisura în timpul propagării. Pe măsură ce viteza de propagare a fisurilor a crescut, suprafața fracturii a trecut treptat de la propagarea prin oboseală la caracteristicile de fisurare prin coroziune prin tensiuni, prezentând o morfologie tipică de cvasi-clivaj și propagare radială, indicând faptul că mediul corosiv a participat la procesul de propagare a fisurii. Analiza spectroscopiei cu dispersie energetică (EDS) a arătat că produsele de coroziune conțineau niveluri ridicate de sulf și cantități mici de clorură, indicând o coroziune semnificativă a sulfurilor și a clorurii în mediul de serviciu.
Analiza cuprinzătoare indică faptul că această defecțiune este o problemă tipică de oboseală prin coroziune și fisurare prin coroziune cauzată de cuplarea mai multor factori. Mecanismul său de formare se manifestă în principal sub trei aspecte.
În primul rând, factorii de stres. Știftul filetat cu dublu-capăt suferă o preîncărcare mare în timpul asamblării, ceea ce duce la o tensiune axială semnificativă la tracțiune la rădăcina filetului. Simultan, structura capului plutitor introduce un stres suplimentar de încovoiere. În timpul funcționării, solicitarea termică de la dilatare și contracție, sarcinile vibraționale din debitul mediu și solicitarea ciclică în timpul pornirii-și opririi mențin șurubul într-o stare de fluctuație mare a tensiunii pentru perioade lungi, accelerând inițierea și propagarea fisurilor.
În al doilea rând, factorii materiali joacă un rol. În timp ce oțelul 35CrMoA posedă o rezistență ridicată, este foarte susceptibil la fisurarea indusă de hidrogen-și coroziunea prin stres cu sulfuri la duritate ridicată. Standardele relevante indică faptul că, în mediile care conțin H2S-, rezistența la coroziune sub tensiune a oțelului de înaltă-rezistență scade semnificativ dacă duritatea depășește un anumit interval. În acest caz, șurubul cu cap dublu-are duritate excesivă și prezintă defecte de decarburare localizate, reducând și mai mult rezistența la fisurarea suprafeței și formând o zonă tipică de inițiere a fisurilor.
În al treilea rând, factorii de mediu sunt importanți. Mediul conține H2S, umiditate și săruri, ceea ce duce la reacții complexe de coroziune în condiții electrochimice. Procesul anodic generează Fe2+, care se combină cu ionii de sulf pentru a forma produse de coroziune FeS. Simultan, atomii de hidrogen generați de reacția catodică pot difuza în oțel, inducând fragilizarea hidrogenului și efecte de bășici. Sub acțiunea combinată a tensiunii și a coroziunii, fisurile se propagă treptat la rădăcina filetului dublu-șurubului, accelerând defectarea.
În plus, efectul de expansiune în volum al produselor de coroziune exacerbează și mai mult propagarea fisurilor la șuruburile cu dublu-filet. Volumul produselor de coroziune este de obicei de 2 până la 4 ori volumul inițial, creând un stres suplimentar de dilatare în fisura închisă. Acest lucru face ca stresul la vârful fisurii să crească continuu, accelerând astfel procesul de fractură. Acest mecanism de feedback pozitiv de „propagare-stresului-coroziunii” este o caracteristică cheie a acestui tip de defecțiune.
În rezumat, acest tip de defecțiune a șuruburilor cu două-capete este în esență rezultatul efectelor combinate ale concentrării tensiunilor structurale, ale sensibilității materialelor și ale mediului coroziv. Pentru condiții similare, ar trebui făcute îmbunătățiri cuprinzătoare, inclusiv reducerea sensibilității la duritate a șuruburilor M10 cu două-capete, optimizarea proceselor de tratament termic, controlul nivelurilor de preîncărcare și îmbunătățirea designului de etanșare și protecție împotriva coroziunii, pentru a spori fiabilitatea de serviciu pe termen lung a structurii.
Pentru mai multe informații despre analiza mecanismului de defecțiune așuruburi cu cap dublu-sau recomandări personalizate de selecție a elementelor de fixare, vă rugăm să contactați echipa noastră tehnică pentru asistență tehnică și soluții adaptate nevoilor dumneavoastră specifice.
Contactaţi-ne
