Uszkodzenie śruby jest typowym problemem związanym z niezawodnością sprzętu petrochemicznego oraz sprzętu do wymiany ciepła-wysokotemperaturowego i wysokociśnieniowego-wysokociśnieniowego-pracującego przez długi czas. Śruby-z podwójnym zakończeniem, jako kluczowe elementy mocujące w konstrukcjach uszczelniających wymienników ciepła z głowicą pływającą, skraplacze i zbiorniki ciśnieniowe, bezpośrednio wpływają na ogólną stabilność operacyjną sprzętu. Chłodnica z głowicą pływającą w układzie regeneracji rafinerii ropy naftowej po 16 latach eksploatacji uległa pęknięciu śruby. Ten przypadek wykazuje typowe cechy zmęczenia korozyjnego i sprzężenia korozji naprężeniowej, zapewniając ważną wartość odniesienia dla zrozumienia mechanizmu uszkodzenia elementów złącznych w wilgotnym środowisku H2S.
Sprzęt działał w następujących warunkach: temperatura wody obiegowej po stronie-po stronie płaszcza wynosząca 90–100 stopni, temperatura kwaśnego gazu-po stronie rury wynosząca 30–35 stopni oraz ciśnienie robocze odpowiednio 0,2 MPa i 0,4 MPa. Medium zawierało pewną ilość H2S i mediów korozyjnych zawierających sól. Specyfikacja śruby to M20×2,5 mm, a materiałem była stal hartowana i odpuszczana 35CrMoA. Pod wpływem połączonego-okresowego zmiennego naprężenia termicznego, napięcia wstępnego zespołu i średniej korozji dwustronna śruba ostatecznie pękła u nasady gwintu.
Obserwacje makroskopowe wykazały, że powierzchnia pęknięcia zlokalizowana była w obszarze nasady gwintu, o stosunkowo gładkiej morfologii i bez wyraźnych makroskopowych odkształceń plastycznych. Czarne produkty korozji przylgnęły do powierzchni. Po oczyszczeniu powierzchnia pęknięcia wykazywała typowe właściwości propagacji zmęczenia, z pęknięciem rozpoczynającym się u nasady gwintu i rozprzestrzeniającym się do wewnątrz pod kątem około 20 stopni. Następnie wszedł w strefę szybkiego rozprzestrzeniania się, wykazującą wzór promieniowy, co ostatecznie doprowadziło do natychmiastowego pęknięcia. Ta cecha morfologiczna wskazuje, że proces uszkodzenia śruby maszynowej z podwójnym trzpieniem obejmował wiele etapów: zmęczenie korozyjne, pękanie korozyjne naprężeniowe i natychmiastowe pękanie.
Analiza składu chemicznego wykazała, że materiał jako całość spełnia wymagania normy 35CrMoA, co wskazuje, że awaria nie była spowodowana nieprawidłowym składem. Badania twardości wykazały, że śruba lagowa z podwójnym trzpieniem ma stosunkowo wysoką twardość ogólną, a struktura osnowy składa się głównie z odpuszczonego sorbitu, osiągając lokalnie poziom 350–360 HV, który jest wyższy niż zakres zalecany dla konwencjonalnych elementów złącznych. Analiza metalograficzna wykazała ponadto pewien stopień odwęglenia na powierzchni gwintu, z warstwą odwęgloną o grubości około 31 µm. Mikrostruktura powierzchni składała się głównie z ferrytu. Ten typ heterogenicznej struktury łatwo prowadzi do miejscowej koncentracji naprężeń pod wpływem naprężenia, wywołując w ten sposób inicjację pęknięć.
Analiza skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) dodatkowo ujawniła mechanizm pękania śruby sześciokątnej z podwójnym zakończeniem. Zaobserwowano wyraźne prążki zmęczeniowe w obszarze inicjacji pęknięcia, a produkty korozji wypełniały pęknięcie podczas propagacji. W miarę wzrostu szybkości propagacji pęknięć powierzchnia pęknięcia stopniowo przechodziła od propagacji zmęczeniowej do charakterystyki pękania korozyjnego naprężeniowego, wykazując typową morfologię quasi-rozszczepiania i propagacji promieniowej, co wskazuje, że ośrodek korozyjny brał udział w procesie propagacji pęknięć. Analiza spektroskopii dyspersyjnej energii (EDS) wykazała, że produkty korozji zawierały wysoki poziom siarki i niewielkie ilości chlorków, co wskazuje na znaczną korozję siarczkową i chlorkową w środowisku pracy
Kompleksowa analiza wskazuje, że to uszkodzenie jest typowym problemem związanym ze zmęczeniem korozyjnym i pękaniem korozyjnym pod wpływem naprężeń siarczkowych, spowodowanym połączeniem wielu czynników. Mechanizm jego powstawania przejawia się głównie w trzech aspektach.
Po pierwsze, czynniki stresowe. Dwustronny kołek gwintowany-poddawany jest dużemu napięciu wstępnemu podczas montażu, co powoduje znaczne osiowe naprężenie rozciągające u nasady gwintu. Jednocześnie konstrukcja pływającej głowicy wprowadza dodatkowe naprężenia zginające. Podczas pracy naprężenia termiczne wynikające z rozszerzania i kurczenia się, obciążenia wibracyjne spowodowane przepływem medium oraz naprężenia cykliczne podczas-rozruchu i wyłączania utrzymują śrubę w stanie dużych wahań naprężeń przez dłuższy czas, przyspieszając inicjację i propagację pęknięć.
Po drugie, rolę odgrywają czynniki materialne. Chociaż stal 35CrMoA ma wysoką wytrzymałość, jest bardzo podatna na pękanie-wywołane wodorem i korozję naprężeniową siarczkową przy dużej twardości. Odpowiednie normy wskazują, że w środowiskach zawierających H2S-odporność stali na korozję naprężeniową-o wysokiej wytrzymałości znacznie spada, jeśli twardość przekracza pewien zakres. W tym przypadku śruba-z gniazdem dwustronnym ma nadmierną twardość i wykazuje miejscowe defekty odwęglenia, co dodatkowo zmniejsza odporność na pękanie powierzchni i tworzy typowy obszar inicjacji pęknięć.
Po trzecie, istotne są czynniki środowiskowe. Medium zawiera H2S, wilgoć i sole, co prowadzi do złożonych reakcji korozyjnych w warunkach elektrochemicznych. W procesie anodowym powstaje Fe2+, który łączy się z jonami siarki, tworząc produkty korozji FeS. Jednocześnie atomy wodoru powstające w reakcji katodowej mogą dyfundować do stali, powodując kruchość wodorową i powstawanie pęcherzy. Pod wpływem połączonego działania naprężeń i korozji pęknięcia stopniowo rozprzestrzeniają się u nasady podwójnego-gwintu śruby, przyspieszając awarie.
Co więcej, efekt zwiększania objętości produktów korozji jeszcze bardziej pogarsza rozprzestrzenianie się pęknięć w śrubach z podwójnym-gwintem. Objętość produktów korozji jest zazwyczaj 2 do 4 razy większa od pierwotnej objętości, tworząc dodatkowe naprężenia rozszerzające w obrębie zamkniętego pęknięcia. Powoduje to ciągły wzrost naprężeń w wierzchołku pęknięcia, przyspieszając w ten sposób proces pękania. Mechanizm dodatniego sprzężenia zwrotnego „korozyjnego-naprężenia-rozprzestrzeniającego się” jest kluczową cechą tego typu awarii.
Podsumowując, ten typ-dwustronnego uszkodzenia śruby jest zasadniczo wynikiem połączonego wpływu koncentracji naprężeń strukturalnych, wrażliwości materiału i środowiska korozyjnego. W przypadku podobnych warunków należy wprowadzić kompleksowe ulepszenia, w tym zmniejszyć wrażliwość na twardość śrub dwustronnych-M10, zoptymalizować procesy obróbki cieplnej, kontrolować poziomy napięcia wstępnego oraz poprawić konstrukcję uszczelnienia i zabezpieczenia przed korozją, aby zwiększyć-niezawodność konstrukcji w długim okresie.
Aby uzyskać więcej informacji na temat analizy mechanizmu awariiśruby dwustronne-z łbem podwójnymlub spersonalizowane zalecenia dotyczące doboru elementów złącznych, prosimy o kontakt z naszym zespołem technicznym w celu uzyskania wsparcia inżynieryjnego i rozwiązań dostosowanych do Twoich konkretnych potrzeb.
Skontaktuj się z nami
