ボルトの破損は、石油化学装置や高温高圧の熱交換装置の長期運転中の典型的な信頼性の問題です。{0}{1}{2}両頭ボルトは、フローティングヘッド熱交換器、凝縮器、圧力容器のシール構造における主要な締結部品として、機器全体の動作安定性に直接影響します。製油所の再生システムにあるフローティングヘッドクーラーは、16 年間の稼働後にボルトの破損破損を経験しました。このケースは、腐食疲労と応力腐食結合の典型的な特性を示しており、湿潤 H2S 環境におけるファスナーの破損メカニズムを理解するための重要な参考値となります。
装置の運転条件はシェル-側循環水温度90～100度、チューブ-側酸性ガス温度30～35度、運転圧力0.2MPa、0.4MPaでした。媒体には一定の割合の H2S と塩腐食性媒体が含まれていました。ボルト仕様はM20×2.5mm、材質は35CrMoA焼き入れ焼き戻し鋼です。長期にわたる交互の熱応力、アセンブリの予荷重、中程度の腐食の複合効果により、両端ボルトは最終的にねじ山の根元で破損しました。-
肉眼的観察により、破面はねじの谷底領域に位置し、比較的滑らかな形態を有し、明らかな肉眼的塑性変形がないことが明らかになった。表面に黒い腐食生成物が付着していた。洗浄後、破面は典型的な疲労伝播特性を示し、亀裂はねじ山根元から発生し、約 20 度の角度で内側に伝播しました。その後、放射状パターンを示す急速伝播ゾーンに入り、最終的に瞬間的な破壊をもたらしました。この形態的特徴は、両頭小ねじの破損過程が腐食疲労、応力腐食割れ、瞬間破壊という複数の段階を経ていることを示しています。
化学組成分析により、材料が全体として 35CrMoA 規格の要件を満たしていることが示され、故障が異常な組成によって引き起こされたものではないことが示されました。硬度試験の結果、ダブルエンドラグボルトは全体的な硬度が比較的高く、マトリックス構造が主に焼き戻しソルバイトで構成され、局所レベルの 350 ～ 360 HV に達し、従来のファスナーの推奨範囲よりも高いことがわかりました。金属組織学的分析により、ねじ山表面にある程度の脱炭が生じており、脱炭層は約 31 μm であることがさらに明らかになりました。表面の微細構造は主にフェライトでした。このタイプの不均質な構造は、応力下で局所的な応力集中を容易に引き起こし、亀裂の発生を誘発します。
走査型電子顕微鏡 (SEM) 分析により、両頭六角ボルトの破壊メカニズムがさらに明らかになりました。亀裂の開始領域には明らかな疲労縞が観察され、亀裂の進展中に腐食生成物が亀裂を満たしました。き裂の伝播速度が増加するにつれて、破面は疲労伝播から応力腐食割れの特性に徐々に移行し、典型的な準劈開および放射状の伝播形態を示しました。これは、腐食性媒体がき裂の伝播プロセスに関与していることを示しています。エネルギー分散分光法 (EDS) 分析により、腐食生成物には高レベルの硫黄と少量の塩化物が含まれていることが示され、使用環境における重大な硫化物および塩化物の腐食が示されました。
包括的な分析により、この破損は複数の要因の組み合わせによって引き起こされる典型的な腐食疲労と硫化物応力腐食割れの問題であることが示されています。その形成メカニズムは主に 3 つの側面で現れます。
まず、ストレス要因。両端ねじ付きスタッドは組み立て中に高い予荷重を受けるため、ねじの付け根に大きな軸方向の引張応力が生じます。-同時に、フローティングヘッド構造により追加の曲げ応力が発生します。運転中、膨張と収縮による熱応力、媒体の流れによる振動負荷、起動時と停止時の周期的応力により、ねじボルトは長時間にわたって高い応力変動状態に維持され、亀裂の発生と伝播が促進されます。
第二に、物質的な要因が影響します。 35CrMoA 鋼は高い強度を備えていますが、高硬度では水素誘起割れや硫化物応力腐食を非常に受けやすくなります。{2}}。関連規格では、H2S-を含む環境では、硬度が一定の範囲を超えると高張力鋼-の耐応力腐食性が大幅に低下することが示されています。この場合、両端ソケットネジは過度の硬度を持ち、局所的な脱炭欠陥が発生し、表面亀裂抵抗がさらに低下し、典型的な亀裂開始領域が形成されます。
第三に、環境要因が重要です。媒体には H2S、水分、塩が含まれており、電気化学的条件下で複雑な腐食反応を引き起こします。陽極プロセスでは Fe2+ が生成され、硫黄イオンと結合して FeS 腐食生成物が形成されます。同時に、陰極反応によって生成された水素原子が鋼中に拡散し、水素脆化や膨れの影響を引き起こす可能性があります。応力と腐食が複合的に作用すると、両端のねじ山の根元で亀裂が徐々に広がり、破損が加速します。{6}}
さらに、腐食生成物の体積膨張効果により、二条ネジの亀裂の伝播がさらに悪化します。{0}}腐食生成物の体積は通常、元の体積の 2 ～ 4 倍となり、閉じた亀裂内に追加の膨張応力が生じます。これにより、亀裂先端の応力が継続的に増加し、破壊プロセスが加速されます。この「腐食-応力-の伝播」という正のフィードバック メカニズムが、このタイプの故障の重要な特徴です。
要約すると、この種の両端ネジの破損は本質的に、構造的な応力集中、材料の敏感さ、腐食環境の複合的な影響の結果です。{0}}同様の条件の場合は、M10 両頭ネジの硬度感度の低減、熱処理プロセスの最適化、予圧レベルの制御、シーリングと腐食防止設計の改善など、構造の長期使用信頼性を高めるための包括的な改善を行う必要があります。-
故障メカニズム解析の詳細については、デュアルヘッドスタッドボルトまたはカスタマイズされたファスナー選択の推奨事項については、お客様固有のニーズに合わせたエンジニアリング サポートとソリューションについて当社の技術チームにお問い合わせください。
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