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      智能脈沖儀脈沖閥螺栓斷裂的問題分析與建議
      - 2021-01-14-

        據悉,智能脈沖儀脈沖閥是高壓聚乙烯裝置的反應器壓力控制和出料閥,其作用是依靠壓力脈動來實現熔融聚乙烯的脈沖出料,防止反應器內壁粘壁導致過溫分解。某乙烯廠的較高壓聚乙烯裝置的PV-210脈沖閥在運行過程中聲音異常,減壓解體后檢查發現,脈沖閥法蘭螺栓斷裂4根,另有2根已經出現顯明裂紋,PV-21OT脈沖閥材質為調質狀態AISI4340合金結構鋼,使用壓力為222MPa,溫度為300℃,脈沖周期為30秒/次,閥開時間為1秒,開閥期間,物料壓力降至210MPa。為保持裝置的安全運行,本文對脈沖閥螺栓斷裂進行了綜合分析,以找出螺栓斷裂失效原因。

        通過觀察,螺栓斷裂表面基本與螺栓軸向垂直,斷口附近金屬未發生顯明塑性變形,斷裂表面存在顯明的宏觀疲勞條紋,裂紋從螺栓周邊開始并存在多個裂源。由于裝置在運行過程中,物料以每30秒一次周期性由222MPa降到210MPa,使螺栓受到交變載荷的作用,因此可以判定脈沖閥螺栓的斷裂屬于多源疲勞斷裂。

        高壓聚乙烯裝置智能脈沖儀脈沖閥螺栓是法蘭盤緊固螺栓。法蘭盤緊固螺栓共有8支,按圖紙要求,設備安裝時,每支螺栓螺母緊固扭矩應控制在90OFT/LBS(英尺磅),根據有關公式計算,每支螺栓將產生約245MPa拉伸應力。工作時,物流壓力為222MPa,脈沖閥每30秒開啟一次,開閥時間為1秒,閥開時物流壓力由222MPa降至210MPa。因此,閥門承受的壓力在上述兩個數值作周期性變化,該壓力將同時作用在8支螺栓上,使每支螺栓實際工作應力約在273MPa和271MPa兩個數值之間,斷裂螺栓的實際屈服強度為935MPa,螺栓工作應力顯明低于該值,且交變應力的脈動幅度很小,在這種正常工況情況下,脈沖閥螺栓可以長期安全運行。

        在使用強度鋼時,應規避接觸腐蝕性介質,否則要考慮到應力腐蝕問題。這是因為在腐蝕氣氛中,應力腐蝕會引起臨界應力減低且呈現遲緩斷裂的現象。從斷裂力學的觀點看,應力腐蝕的過程大致為∶先在應力和腐蝕介質共同作用下,局部的保護膜破裂,形成“蝕坑”,并在坑底形成裂紋,其次裂紋經亞臨界擴展,達到臨界尺寸繼而發生失穩擴展和導致脆性斷裂。鋼的強度越高,敏銳性越高。根據對智能脈沖儀脈沖閥螺栓螺紋表面質量檢查發現,在螺紋根部和齒面普遍存在腐蝕凹坑,且腐蝕凹坑中氯離子的含量達0.91%,由于凹坑很小,這樣就會使應力進一步集中,對于4340H這種強度較高的材料來說,應力集中越為敏銳。

        建議大家,在檢驗智能脈沖儀脈沖閥時應格外注意檢驗螺栓與螺母連接處的螺紋,當檢驗中發現螺栓表面存在微裂紋時,應予以更換,以保持安全。

        要合理設計螺栓結構,增進退刀槽等應力集中部位的加工精度要求,減少應力集中,增加耐疲勞的能力。

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