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智能脉冲仪脉冲阀螺栓断裂的问题分析与建议
- 2021-01-14-

  据悉,智能脉冲仪脉冲阀是高压聚乙烯装置的反应器压力控制和出料阀,其作用是依靠压力脉动来实现熔融聚乙烯的脉冲出料,防止反应器内壁粘壁导致过温分解。某乙烯厂的较高压聚乙烯装置的PV-210脉冲阀在运行过程中声音异常,减压解体后检查发现,脉冲阀法兰螺栓断裂4根,另有2根已经出现显明裂纹,PV-21OT脉冲阀材质为调质状态AISI4340合金结构钢,使用压力为222MPa,温度为300℃,脉冲周期为30秒/次,阀开时间为1秒,开阀期间,物料压力降至210MPa。为保持装置的安全运行,本文对脉冲阀螺栓断裂进行了综合分析,以找出螺栓断裂失效原因。

  通过观察,螺栓断裂表面基本与螺栓轴向垂直,断口附近金属未发生显明塑性变形,断裂表面存在显明的宏观疲劳条纹,裂纹从螺栓周边开始并存在多个裂源。由于装置在运行过程中,物料以每30秒一次周期性由222MPa降到210MPa,使螺栓受到交变载荷的作用,因此可以判定脉冲阀螺栓的断裂属于多源疲劳断裂。

  高压聚乙烯装置智能脉冲仪脉冲阀螺栓是法兰盘紧固螺栓。法兰盘紧固螺栓共有8支,按图纸要求,设备安装时,每支螺栓螺母紧固扭矩应控制在90OFT/LBS(英尺磅),根据有关公式计算,每支螺栓将产生约245MPa拉伸应力。工作时,物流压力为222MPa,脉冲阀每30秒开启一次,开阀时间为1秒,阀开时物流压力由222MPa降至210MPa。因此,阀门承受的压力在上述两个数值作周期性变化,该压力将同时作用在8支螺栓上,使每支螺栓实际工作应力约在273MPa和271MPa两个数值之间,断裂螺栓的实际屈服强度为935MPa,螺栓工作应力显明低于该值,且交变应力的脉动幅度很小,在这种正常工况情况下,脉冲阀螺栓可以长期安全运行。

  在使用强度钢时,应规避接触腐蚀性介质,否则要考虑到应力腐蚀问题。这是因为在腐蚀气氛中,应力腐蚀会引起临界应力减低且呈现迟缓断裂的现象。从断裂力学的观点看,应力腐蚀的过程大致为∶先在应力和腐蚀介质共同作用下,局部的保护膜破裂,形成“蚀坑”,并在坑底形成裂纹,其次裂纹经亚临界扩展,达到临界尺寸继而发生失稳扩展和导致脆性断裂。钢的强度越高,敏锐性越高。根据对智能脉冲仪脉冲阀螺栓螺纹表面质量检查发现,在螺纹根部和齿面普遍存在腐蚀凹坑,且腐蚀凹坑中氯离子的含量达0.91%,由于凹坑很小,这样就会使应力进一步集中,对于4340H这种强度较高的材料来说,应力集中越为敏锐。

  建议大家,在检验智能脉冲仪脉冲阀时应格外注意检验螺栓与螺母连接处的螺纹,当检验中发现螺栓表面存在微裂纹时,应予以更换,以保持安全。

  要合理设计螺栓结构,增进退刀槽等应力集中部位的加工精度要求,减少应力集中,增加耐疲劳的能力。