金屬波紋管開裂失效分析與防控策略研究

張敬亮，張勛，蔡豐義，陳英華，李海生

(1.江蘇中能硅業(yè)科技發(fā)展有限公司，江蘇 徐州 221000；2.中國礦業(yè)大學 化工學院，江蘇 徐州 221116)

0 引言

波紋管是常見的化工裝備連接部件，能夠起到設(shè)備連接管線變形補償、減振等作用，廣泛用于能源、化工、儀表、航天、電力等行業(yè)領(lǐng)域[1-3]。波紋管開裂失效行為將會影響生產(chǎn)安全，造成安全生產(chǎn)事故、人員傷亡和重大經(jīng)濟損失，已受到高度關(guān)注[4-5]。

通過分析波紋管開裂的工程案例，可以探究波紋管形成開裂的主要原因，全方位了解波紋管開裂的影響因素[6]。李家興等[7]對石化公司不銹鋼波紋管膨脹節(jié)發(fā)生開裂的原因進行了全面分析，表明氯化物水溶液中不銹鋼波紋管在殘余應(yīng)力、介質(zhì)應(yīng)力聯(lián)合作用下，容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。郭河苗[8]研究了航空管路補償器平衡式波紋管的開裂原因，應(yīng)力集中導致的裂紋擴展是疲勞開裂的主要原因。李明等[9]對熱電廠不銹鋼波紋管開裂泄漏進行了分析，發(fā)現(xiàn)含氯離子媒介中耦合應(yīng)力作用下，極易發(fā)生應(yīng)力腐蝕，設(shè)備的使用環(huán)境值得關(guān)注。何書亮等[10]對再沸器不銹鋼波紋管產(chǎn)生的穿透性裂紋進行了深入研究，發(fā)現(xiàn)氯化物應(yīng)力腐蝕開裂是關(guān)鍵因素，為后續(xù)防護提供了指導意見。

由于波紋管被廣泛用于多個行業(yè)領(lǐng)域，每個領(lǐng)域?qū)ζ涔ぷ餍阅艿囊蟾鞑幌嗤?，失效形式存在差異性。本文在對波紋管開裂失效的因素進行全面分析的基礎(chǔ)上，以三氯氫硅儲罐出料管線金屬波紋管為失效案例，對波紋管失效問題進行了全方位分析，探究了波紋管失效的主要原因，結(jié)合使用場景提出了波紋管開裂失效的防控策略，對確保工藝設(shè)備安全穩(wěn)定運行具有很好的指導意義。

1 波紋管開裂失效因素

波紋管開裂失效因素主要包括以下方面：

(1)金屬材料選擇不當形成的開裂失效

選擇合理的金屬材料，對提高波紋管質(zhì)量和失效防控具有重要意義。材料選用過程需要考慮波紋管的具體應(yīng)用工況和條件，對材料的質(zhì)量進行嚴格的檢驗，對材料焊接性能進行評估，確保材料質(zhì)量不會影響金屬波紋管制造、施工安裝。金屬波紋管選材常見的材料包括奧氏體不銹鋼、碳鋼、鈹青銅等。

(2)設(shè)計結(jié)構(gòu)缺陷形成的開裂失效

波紋管設(shè)計結(jié)構(gòu)要考慮溫度載荷、工作壽命、應(yīng)力強度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等問題[11]。波紋管有限定的溫度范圍，低溫或高溫工況對波紋管結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性均會造成不良影響。隨著溫度升高，材料彈性模量降低，波紋管剛度和疲勞壽命均會降低；而低溫工況下，材料脆性增強，容易誘發(fā)表面缺陷。同時，考慮到波紋管材料屈服強度有限，設(shè)計結(jié)構(gòu)不合理將導致疲勞循環(huán)次數(shù)減低，影響疲勞壽命和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，極易造成波紋管開裂失效。設(shè)計方案要確保波紋管在可控變形下工作，防止其失穩(wěn)。當壓力和位移集中作用下，易形成疲勞斷裂。

(3)腐蝕形成的開裂失效

腐蝕將會引發(fā)波紋管開裂失效，一方面包括腐蝕介質(zhì)誘發(fā)的腐蝕減薄、腐蝕疲勞等，由于波紋管壁變薄，局部范圍內(nèi)在介質(zhì)點蝕作用下，極易造成設(shè)備損壞或失效；另一方面包括氯離子介質(zhì)對不銹鋼材料產(chǎn)生的應(yīng)力腐蝕，形成多處裂紋，影響波紋管壽命[12]。

(4)工作載荷導致的開裂失效

對工作載荷，系統(tǒng)共振將會加劇波紋管的疲勞損傷，逐步引發(fā)結(jié)構(gòu)開裂和失效。為了防止共振的發(fā)生，在計算波紋管固有頻率的基礎(chǔ)上，對結(jié)構(gòu)體進行合理支撐至關(guān)重要。另外，波紋管表面可能會產(chǎn)生機械摩擦磨損，特別是外壁面波峰處。同時，波紋管的安裝固定部件不合理，也會導致其發(fā)生摩擦磨損。

2 波紋管失效案例分析

三氯氫硅儲罐出料管線的金屬波紋管連接位置存在開裂失效行為，將會產(chǎn)生介質(zhì)泄漏風險。通過現(xiàn)場拆解波紋管后，對其操作工況進行了全面分析，探討引發(fā)波紋管開裂失效的可能形成原因。影響金屬波紋管可靠性的因素主要包括設(shè)計條件、制造過程、安裝檢驗、運行監(jiān)測、維護管理等。因此，金屬波紋管的失效形式是多種多樣的，主要可以從以下方面考慮原因：首先，對現(xiàn)場工作溫度、工作壓力調(diào)研發(fā)現(xiàn)，其均在可控范圍內(nèi)，因此工作溫度和壓力不是引發(fā)開裂失效的主要原因；其次，儲罐出料管線不存在外部載荷誘發(fā)的振動或沖擊現(xiàn)象，不會引發(fā)波紋管疲勞裂紋，排除振動或沖擊引起的疲勞失效；最后，金屬波紋管材料為316L 奧氏體不銹鋼，其具有良好的抗腐蝕性能，但在某些特定的介質(zhì)中易發(fā)生應(yīng)力腐蝕，而三氯氫硅介質(zhì)中不含水，不會誘發(fā)應(yīng)力腐蝕。

綜合考慮上述情況，可以從材料缺陷、介質(zhì)腐蝕、加工制造的角度，深入分析波紋管開裂失效的原因，有針對性地提出開裂失效的防控策略。

生產(chǎn)除需要固定資產(chǎn)外，還需要流動資產(chǎn)，但統(tǒng)計年鑒沒有非工業(yè)部門的流動資產(chǎn)方面的數(shù)據(jù)。根據(jù)工業(yè)部門的固定資產(chǎn)和流動資產(chǎn)數(shù)據(jù)，計算工業(yè)部門的固定資產(chǎn)占總資產(chǎn)的平均比重，用這個值近似非工業(yè)各產(chǎn)業(yè)的固定資產(chǎn)占總資產(chǎn)的比重，然后可以計算非工業(yè)產(chǎn)業(yè)所需的總資產(chǎn)。

3 波紋管失效分析

為了對開裂不銹鋼波紋管進行全面分析，可以分別對波紋管和連接法蘭進行分析。由于法蘭并未失效，需要對波紋管進行重點分析。運用線切割加工技術(shù)在波紋管開裂處取樣，獲得了斷裂區(qū)樣品和撕裂區(qū)樣品，展開后續(xù)的分析與研究。

3.1 斷口宏觀形貌分析

線切割截取波紋管樣品的宏觀形貌如圖1 所示?？梢钥闯觯摬y管樣品外表面呈現(xiàn)彎曲狀，表面光亮且有白色附著物，未見明顯裂紋存在；而內(nèi)表面較干凈、光滑，樣品表面有白色污跡，沒有明顯裂紋或腐蝕坑點，是否存在腐蝕需要深入研究。

圖1 金屬波紋管開裂圖

在波紋管斷口，表面光亮且無腐蝕產(chǎn)物存在，凸面和凹面點的差異性較小，且凹面附著物呈較密集狀分布，均可以隨意清除，并非腐蝕產(chǎn)物或腐蝕痕跡，可以排除腐蝕引發(fā)的斷裂。在自然斷裂區(qū)，斷口呈鋸齒狀，高低差異性較小，表明在一定的載荷作用下最先發(fā)生斷裂，而撕裂區(qū)域呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)分布不均勻，但斷口較為平齊。

3.2 波紋管金相組織分析

對樣品進行除銹處理的基礎(chǔ)上，運用金相試樣鑲嵌機進行樣品鑲嵌，應(yīng)用全自動磨拋機進行制樣處理，結(jié)合電解拋光腐蝕儀對樣品進行拋光。運用藥劑進行浸蝕后，在數(shù)控超聲波清洗器中進行清洗。通過觀察材料的金相組織、材料固溶處理工藝情況，分析材料有無明顯腐蝕微觀裂紋、材料斷口區(qū)域微觀晶粒的晶界線有無發(fā)生變化，從微觀上判斷腐蝕和應(yīng)力對波紋管開裂的影響。

對斷裂區(qū)和撕裂區(qū)的試樣分別進行制樣，在金相顯微鏡下開展微觀檢測，結(jié)果如圖2 所示。由此可以看出：

圖2 金相組織形態(tài)

(1)金相未發(fā)現(xiàn)裂紋。對斷裂區(qū)與撕裂區(qū)不同部位管材進行金相分析，顯微組織主要表現(xiàn)為奧氏體相，晶粒較均勻，晶界清晰可辨，無明顯穿晶裂紋及晶間裂紋出現(xiàn)。對比斷裂區(qū)與撕裂區(qū)金相組織發(fā)現(xiàn)，斷裂區(qū)晶粒尺寸與形態(tài)未發(fā)生顯著變化。因此，斷裂區(qū)波紋管材料未發(fā)生點蝕等局部腐蝕現(xiàn)象，斷裂與腐蝕不相關(guān)。

(2)材料固溶處理不均勻。對材料金相分析看出，存在少量奧氏體孿晶，材料經(jīng)過固溶處理不均勻。晶粒度較粗大，晶內(nèi)孿晶數(shù)量較少。固溶處理有助于提高材料的使用壽命。當固溶處理不均勻，導致材料抗蝕性較差，未能有效消除波紋管殘余拉應(yīng)力，將會導致波紋管發(fā)生斷裂。

(4)無晶間腐蝕。從圖2 中可以看出，無明顯腐蝕產(chǎn)物，晶界粗化但沿晶界無開裂或脫落，表明波紋管沒有產(chǎn)生晶間開裂，排除晶間腐蝕的可能。

4 研究結(jié)果

結(jié)合上述分析，得到以下結(jié)果：

(1)現(xiàn)場收集數(shù)據(jù)反饋，波紋管工作溫度、工作壓力均在可控范圍內(nèi)，實時檢測數(shù)據(jù)顯示并未發(fā)現(xiàn)壓力突變或溫度過熱的問題。溫度、壓力和共振載荷不是引起波紋管斷裂的原因。

(2)波紋管表面白色污跡是泄漏產(chǎn)生的介質(zhì)附著物，并非腐蝕。波紋管表面并無明顯腐蝕坑點或腐蝕裂紋，斷口無腐蝕產(chǎn)物，撕裂區(qū)局部區(qū)域平齊。因此，不存在腐蝕減薄、應(yīng)力腐蝕、腐蝕疲勞等問題。同時，斷裂區(qū)與撕裂區(qū)不同部位金相無裂紋，無明顯穿晶裂紋及晶間裂紋出現(xiàn)，無明顯腐蝕產(chǎn)物，晶界粗化但沿晶界無開裂或脫落，表明波紋管沒有產(chǎn)生晶間開裂，無點蝕行為，斷裂與腐蝕無關(guān)。

(3)材料金相圖存在少量奧氏體孿晶，晶粒度較粗大，晶內(nèi)孿晶數(shù)量較少，表明材料雖然經(jīng)過固溶處理但并不均勻，導致材料性能降低；同時波紋管制造過程焊接結(jié)構(gòu)間隙控制不準確且不均勻。因此，波紋管結(jié)構(gòu)制造和材料處理得不均勻可能是誘發(fā)斷裂的原因。

5 防控措施建議

在掌握開裂原因的基礎(chǔ)上，為避免類似事故的發(fā)生，保證安全生產(chǎn)長周期運行，可以考慮以下防控措施：

(1)定期監(jiān)控波紋管失穩(wěn)特征

由于波紋管特殊的幾何形狀在壓力和位移的作用下會造成失穩(wěn)，可以定期對波紋管進行在線應(yīng)力檢測，及時發(fā)現(xiàn)介質(zhì)流速突變引起的振動、管道或相鄰設(shè)備存在的振動、介質(zhì)壓力變化、結(jié)構(gòu)體局部變形等危險，對確保波紋管穩(wěn)定運行具有重要意義。

(2)合理結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造檢驗

可以采用有限元計算輔助設(shè)計，提供合理的設(shè)計方案，改進波紋管生產(chǎn)技術(shù)條件，對材料固溶處理過程進行監(jiān)督與管理，確保處理后的材料達到預(yù)期性能目標。

(3)波紋管安裝合格性評估

由于波紋管結(jié)構(gòu)特殊，無法承受重量，安裝時單獨吊裝處理。安裝過程中，不能使波紋管強迫變形滿足管道安裝要求；同時，波紋管表面需要防護，不得有機械損傷。安裝完成后，依據(jù)設(shè)計要求開展合格性評估。