Okvara vijaka je tipična težava pri zanesljivosti petrokemične opreme ter opreme za izmenjavo toplote pri visokih-temperaturah in-tlaku med dolgotrajnim-delovanjem. Vijaki z dvojnim koncem, kot ključne pritrdilne komponente v tesnilnih strukturah toplotnih izmenjevalnikov s plavajočo glavo, kondenzatorjev in tlačnih posod, neposredno vplivajo na splošno stabilnost delovanja opreme. Hladilnik s plavajočo glavo v regeneracijskem sistemu rafinerije nafte je po 16 letih delovanja doživel zlom vijaka. Ta primer kaže tipične značilnosti korozijske utrujenosti in napetostno korozijske sklopke, kar zagotavlja pomembno referenčno vrednost za razumevanje mehanizma odpovedi pritrdilnih elementov v mokrih okoljih H2S.
Oprema je delovala pod naslednjimi pogoji: temperatura vode v obtoku-na ohišju 90–100 stopinj, temperatura kislih plinov na strani -cevi 30–35 stopinj in delovni tlaki 0,2 MPa oziroma 0,4 MPa. Medij je vseboval določen delež jedkega medija H2S in soli. Specifikacija vijaka je bila M20 × 2,5 mm, material pa je bilo kaljeno in kaljeno jeklo 35CrMoA. Pod skupnimi učinki dolgotrajne-izmenične toplotne obremenitve, prednapetosti sklopa in srednje korozije se je dvo{16}}sornik sčasoma zlomil v korenu navoja.
Makroskopsko opazovanje je razkrilo, da se površina zloma nahaja v območju korena navoja, z relativno gladko morfologijo in brez očitne makroskopske plastične deformacije. Črni produkti korozije so se prijeli na površino. Po čiščenju je imela površina loma tipične značilnosti širjenja utrujenosti, pri čemer je razpoka izvirala iz korena navoja in se širila navznoter pod kotom približno 20 stopinj. Nato je vstopil v območje hitrega širjenja z radialnim vzorcem, kar je na koncu povzročilo trenutni zlom. Ta morfološka značilnost kaže, da je proces okvare dvostranskega strojnega vijaka vključeval več stopenj: korozijsko utrujenost, napetostno korozijsko razpokanje in takojšen zlom.
Analiza kemične sestave je pokazala, da material kot celota izpolnjuje zahteve standarda 35CrMoA, kar kaže, da napaka ni nastala zaradi nenormalne sestave. Preizkušanje trdote je pokazalo, da ima dvostranski zaporni vijak razmeroma visoko splošno trdoto, pri čemer je matrična struktura v glavnem sestavljena iz kaljenega sorbita in dosega lokalno raven 350–360 HV, kar je višje od priporočenega obsega za običajne pritrdilne elemente. Metalografska analiza je nadalje pokazala določeno stopnjo razogljičenja na površini navoja, z razogljičeno plastjo približno 31 μm. Površinska mikrostruktura je bila pretežno feritna. Ta vrsta heterogene strukture zlahka povzroči lokalizirano koncentracijo napetosti pod napetostjo in tako povzroči nastanek razpok.
Analiza z vrstično elektronsko mikroskopijo (SEM) je dodatno razkrila mehanizem zloma dvostranskega šestrobega vijaka. V območju začetka razpoke so opazili očitne brazde utrujenosti, produkti korozije pa so med širjenjem zapolnili razpoko. Ko se je hitrost širjenja razpoke povečevala, je površina loma postopoma prešla iz značilnosti širjenja zaradi utrujenosti v značilnosti razpokanja zaradi napetostne korozije, kar kaže na značilno morfologijo kvazi-cepitve in radialnega širjenja, kar kaže, da je korozivni medij sodeloval pri procesu širjenja razpoke. Analiza z energijsko disperzijsko spektroskopijo (EDS) je pokazala, da produkti korozije vsebujejo visoko vsebnost žvepla in majhne količine klorida, kar kaže na znatno sulfidno in kloridno korozijo v delovnem okolju
Celovita analiza kaže, da je ta okvara tipičen problem korozijske utrujenosti in sulfidnega stresnega korozijskega razpokanja, ki ga povzroča povezovanje več dejavnikov. Mehanizem njegovega nastanka se v glavnem kaže v treh vidikih.
Prvič, dejavniki stresa. Dvo-navojni čep med sestavljanjem doživi veliko predobremenitev, kar povzroči znatno aksialno natezno napetost na korenu navoja. Hkrati lebdeča struktura glave uvaja dodatno upogibno obremenitev. Med delovanjem toplotna obremenitev zaradi raztezanja in krčenja, vibracijske obremenitve zaradi srednjega toka in ciklične obremenitve med zagonom-in zaustavitvijo ohranjajo vijačni vijak v stanju velikega nihanja napetosti daljša obdobja, kar pospešuje nastanek in širjenje razpok.
Drugič, pomembno vlogo igrajo materialni dejavniki. Medtem ko ima jeklo 35CrMoA visoko trdnost, je pri visoki trdoti zelo dovzetno za razpoke,-ki jih povzroča vodik, in sulfidno napetostno korozijo. Ustrezni standardi kažejo, da se v okoljih, ki vsebujejo H2S-, odpornost jekla z visoko -trdnostjo proti koroziji znatno zmanjša, če trdota preseže določeno območje. V tem primeru ima dvojni -natični vijak prekomerno trdoto in kaže lokalizirane napake pri razogljičenju, kar dodatno zmanjša odpornost proti površinskim razpokam in tvori tipično območje za začetek razpok.
Tretjič, okoljski dejavniki so pomembni. Medij vsebuje H2S, vlago in soli, kar vodi do kompleksnih korozijskih reakcij v elektrokemičnih pogojih. Anodni postopek ustvarja Fe2+, ki se združuje z žveplovimi ioni in tvori produkte korozije FeS. Hkrati lahko atomi vodika, ki nastanejo pri katodni reakciji, difundirajo v jeklo, kar povzroči vodikovo krhkost in učinke mehurčkov. Pod skupnim delovanjem napetosti in korozije se razpoke postopoma širijo v korenu dvo-končnega navoja vijaka, kar pospešuje odpoved.
Poleg tega učinek raztezanja prostornine produktov korozije še poslabša širjenje razpok pri vijakih z dvojnim-navojem. Volumen korozijskih produktov je običajno 2- do 4-krat večji od prvotnega volumna, kar ustvarja dodatno raztezno napetost znotraj zaprte razpoke. To povzroči nenehno povečevanje napetosti na konici razpoke in tako pospeši proces loma. Ta mehanizem pozitivne povratne informacije za "-širjenje-korozijske napetosti" je ključna značilnost te vrste okvare.
Če povzamemo, je ta vrsta okvare dvojnega vijaka v bistvu posledica skupnih učinkov koncentracije strukturne napetosti, občutljivosti materiala in korozivnega okolja. Za podobne razmere je treba izvesti obsežne izboljšave, vključno z zmanjšanjem občutljivosti na trdoto dvojnih-končnih vijakov M10, optimizacijo postopkov toplotne obdelave, nadzorom ravni prednapetosti ter izboljšanjem zasnove tesnjenja in zaščite pred korozijo, da bi povečali dolgoročno-zanesljivost strukture.
Za dodatne informacije o analizi mehanizma odpovedivijaki z dvojno{0}}glavoali prilagojena priporočila za izbiro pritrdilnih elementov, se obrnite na našo tehnično ekipo za inženirsko podporo in rešitve, prilagojene vašim posebnim potrebam.
Kontaktirajte nas
