乙烯三机组(裂解气压缩机、乙烯制冷压缩机、丙烯制冷压缩机)是乙烯裂解装置的关键核心设备，其
直接影响着装置的安全稳定生产和长周期运行，密封气波动是影响乙烯三大机组安全运行的典型故障。
某100万t/a乙烯装置三机组干气密封盘螺柱发生断裂现象，断裂螺柱所在法兰位于压缩机附近，每个法兰上有4个螺柱。断裂螺柱及新螺柱外观如图1所示，现场一共8个法兰上的螺柱断裂。法兰所在管道内的压力为3.8MPa，管道内部分区域温度为20~30℃，其他区域温度为30~50℃。法兰外表面无锈蚀，但法兰与螺柱接触的位置发生锈蚀，法兰和螺柱材料均为不锈钢，牌号为 A2-70。法兰所在的管道通入压缩机，介质有裂解气、乙烯、氮气等，通入不同类型介质管道的法兰螺柱均开裂。研究人员采用宏观观察、化学成分分析、金相检验、硬度测试、扫描电镜(SEM)和能谱分析等方法对螺柱断裂原因进行分析，以防止该类问题再次发生。
一、理化检验
1.1 宏观观察
断裂螺柱断口宏观形貌如图2所示，送检的8组双头螺柱中，一组是完好的，一组有裂纹但未完全断开，其他6组弯曲断开，且裂纹均位于中间螺杆处。除4，5号螺柱外，起裂位置距螺纹1.5cm左右，4，5号螺柱起裂位置距螺纹1.0cm左右。除5号螺柱外，中间螺杆长度均约为3.5cm，5号螺柱中间螺杆长度约为2.0cm。所有送检螺柱上均有不同程度的锈迹，螺母表面较为干净，与螺纹连接的内螺纹表面有少许锈蚀产物。所有断口均无塑性断裂特征。
1.2 化学成分分析
通过火花放电原子发射光谱法(常规法)对断裂螺柱和螺母以及新螺柱和螺母的化学成分进行分析，结果如表1所示。由表1可知：断裂螺柱的碳、锰元素的质量分数比其螺母高，尤其是碳元素的质量分数更高。断裂螺柱及螺母材料为304不锈钢。断裂螺柱的碳元素质量分数均不符合标准GB/T 1220—2007《不锈钢棒》的要求；新螺柱和螺母的碳元素质量分数均符合标准GB/T 1220—2007的要求。
1.3 金相检验和硬度测试
2号断裂螺柱的断口附近有二次裂纹，在垂直于裂纹方向截取金相试样，在新螺柱上截取金相试样，将2号断裂螺柱试样和新螺柱试样置于光学显微镜下观察，结果如图3所示。由图3可知：裂纹沿晶分布，且呈树枝状扩展特征；2号断裂螺柱晶粒度为9.2级，螺母晶粒度为4.2级；新螺柱晶粒度为9.5级，新螺母晶粒度分别为6.0，2.5，4.5级。
利用草酸电解法对断裂螺柱和螺母试样的抗晶间腐蚀能力进行评估，之后采用双环电化学动电位再活化测量法进行进一步验证，结果表明，原螺母几乎没有敏化，而断裂螺柱发生了敏化，螺柱的晶间腐蚀敏感性较高，新螺柱没有晶间腐蚀敏感性。
对金相试样进行维氏硬度测试，结果如图4所示，由图4可知：测点处的硬度较高。
1.4 断口微观形貌
对螺柱裂纹断口进行扫描电镜和能谱分析，结果如图5所示。由图5可知：断口形貌主要呈沿晶分布特征，断口晶界表面可见腐蚀产物附着；能谱分析显示断口表面含有硫、氯等腐蚀性介质元素。
二、综合分析
断裂螺柱断裂位置均为双头螺柱的中间光杆处，裂纹大致与轴向垂直或呈较大的角度，断口呈沿晶断裂特征。断裂螺柱外表面有明显锈蚀痕迹，螺母表面无锈蚀痕迹；断口存在硫、氯等腐蚀性介质元素；断裂螺柱和螺母的材料成分差异较大，尤其是碳元素含量。断裂螺柱的碳元素含量明显超出标准的规定；断裂螺柱组织严重敏化，晶间腐蚀敏感性很高。
材料发生应力腐蚀开裂是材料、环境和力学等多因素耦合作用的结果，需要特定材料、腐蚀介质和拉伸力等3个基本条件。当含水的腐蚀性介质进入对接法兰之间的缝隙后，介质接触到严重敏化的双头螺柱中部的光杆位置，造成表面局部发生微小腐蚀；在螺柱紧固应力的共同作用下，应力腐蚀裂纹自腐蚀位置起裂并沿径向沿晶扩展，直至螺柱断裂。结合现场实际工况，碳元素含量高和材料敏化是导致螺柱耐蚀性下降的主要原因。通过更换碳元素含量合格且无晶间腐蚀敏感性的新螺柱螺母，能够有效减轻或避免螺柱发生腐蚀开裂。
三、结语
断裂螺柱裂纹呈沿晶分布特征，而且裂纹呈树枝状扩展；裂纹断面存在硫、氯等腐蚀性介质元素。结合工艺操作对断裂原因进行分析，由于不锈钢螺柱碳元素含量高且材料敏化，抗晶间腐蚀能力下降。含水的腐蚀性介质接触到严重敏化的双头螺柱中部的光杆位置，使材料表面局部发生微小腐蚀，最终在螺柱紧固应力的共同作用下，螺柱发生应力腐蚀开裂。
作者：李坤，肖承燃
单位：中化泉州石化有限公司
来源：《理化检验-物理分册》2024年第2期
来源：理化检验物理分册
关键词：
螺柱断裂
乙烯三机组
