К вопросу о причинах преждевременного разрушения пружин предохранительных клапанов на установках первичной переработки нефти

Исследованы причины преждевременного разрушения пружины (из стали 50ХФА), которую использовали в предохранительном клапане шлемовой части колонны. Разрушение пружины произошло после семи лет эксплуатации при температуре менее 90 °C; рабочая среда трубопровода – светлые нефтепродукты (сернистый бензин). Для исследований применяли методы визуально-измерительного контроля, общий химический анализ состава стали, энергодисперсионный анализ металла в локальных областях, измерения твердости и микротвердости, микроструктурный анализ металла, макрофрактографию, электронную фрактографию, фазовый химический, фазовый рентгеноструктурный анализы, восстановительную термическую обработку. Выявлены характерные внешние признаки, типичные микроповреждения и механизмы сульфидного (водородного) коррозионного растрескивания высокопрочной стали 50ХФА с наиболее опасным сопутствующим процессом – наводороживанием. Анализ химического состава и твердости металла удовлетворяет требованиям стандартов на данную сталь. Микроструктура исследуемого металла представляет собой мартенсит отпуска с наличием в поверхностных слоях обезуглероженного слоя до 0,158 мм. Результаты исследования показали, что преждевременное разрушение пружины обусловлено как технологической наследственностью, так и эксплуатационными факторами (контактом с рабочей средой, не предусмотренным проектом). Отмечены язвенные повреждения поверхности металла с проникновением в глубинные слои продуктов коррозии вследствие нарушения целостности покрытия пружины, что указывает на низкую стойкость стали 50ХФА к низкотемпературной сероводородной коррозии. Разрушение происходило преимущественно возле неметаллических включений по границам первичных аустенитных зерен, где дислоцируются наиболее крупные выделения карбидов хрома, а также по межфазным границам ориентированных пластинок карбидов.

1. Makaryants G. M. Fatigue failure mechanisms of a pressure relief valve / Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2017. Vol. 48. P. 1 – 13. DOI: 10.1016/j.jlp.2017.03.025

2. Kumar T. S. M., Adaveesh B. Application of «8D methodology» for the root cause analysis and reduction of valve spring rejection in a valve spring manufacturing company: A case study / Indian J. Sci. Technol. 2017. Vol. 10. N 11. P. 1 – 11. DOI: 10.17485/ijst/2017/v10i11/106137

3. Goritskiy V. M. Analysis of the reasons for the destruction of safety valve springs / Khim. Neft. Mashinostr. 1994. N 4. P. 27 – 29 [in Russian].

4. Goritskiy V. M. Metal diagnostics. — Moscow: Metallurgizdat, 2004. — 402 p. [in Russian].

5. Engel L. Scanning electron microscopy. Destruction: Reference Edition. — Moscow: Metallurgiya, 1986. — 232 p. [in Russian].

6. Grigorenko V. B. The use of fractographic analysis to determine the causes of destruction of products from medium carbon steels / Tr. VIAM. 2018. N 8. P. 98 – 111 [in Russian].

7. Liu Bo-Chao, Yang Zhan-Guo. Failure Analysis of shock Absorption spring is motorcycle / Journal of Failure Analysis and Prevention. 2016. N 16. P. 337 – 345. DOI: 10.1007/s11668-016-0112-3

8. Das S., Taukdar S., Solanki V., Kumar A., Mukhopadhyay G. Breakege of spring steel during manufacturing: A Metallurgical investigation / Journal of Failure Analysis and Prevention. 2020. N 20. P. 2462 – 1469. DOI: 10.1007/s11668-020-00993-9

9. Xing X. Q., et al. Effect of environment-assisted cracking on the premature fatigue failure of high-strength valve springs / Engineering Failure Analysis. 2021. Vol. 126. P. 105466. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2021.105466

10. Pal U., Mukhopadhyay G., Bhattacharya S. Failure analysis of spring of hydraulic operated valve / Engineering Failure Analysis. 2019. Vol. 95. P. 191 – 198. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2018.09.013

11. Sorokin B. G., Volosnikova A. V., Vyatkin S. A. Grader of steel and alloys. — Moscow: Mashinostroenie, 1989. — 640 p. [in Russian].

12. Tupitsin M. A. et al. Study of the influence of structural heritage and operating conditions on the durability of safety valve springs from steel 50KHFA / Materials Physics and Mechanics. 2022. Vol. 48. N 2. P. 161 – 174. DOI: 10.18720/MPM.4848(2)2022-2

13. Goldshtein M. I. at al. Special steels. Second edition, revised and enlarged. — Moscow: MISIS, 1999. — 408 p. [in Russian].

14. Gudremon E. A. Special steels. Vol. 2. — Moscow: Metallurgiya, 1966. — 1274 p. [in Russian].

15. Fellose J. Fractography and atlas of fractograms. Directory. — Moscow: Metallurgiya, 1982. — 489 p. [Russian translation].

16. Ren C. X. et al. Enhanced bending fatigue resistance of a 50CrMnMoVNb spring steel with decarburized layer by surface spinning strengthening / International Journal of Fatigue. 2019. Vol. 124. P. 277 – 287. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2019.03.014

17. Grigorenko V. B., Morozova L. V. Osobennosti razrusheniya metizov iz stali 30KhGSA / Zavod. Lab. Diagn. Mater. 2018. Vol. 84. N 5. P. 45 – 54. DOI: 10.26896/1028-6861-2018-84-5-45-54