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金属波纹管开裂失效分析与防控策略研究论文

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  关键词:金属波纹管;开裂;微观形貌;金相组织;防控策略

  0引言

金属波纹管开裂失效分析与防控策略研究论文

  波纹管是常见的化工装备连接部件,能够起到设备连接管线变形补偿、减振等作用,广泛用于能源、化工、仪表、航天、电力等行业领域[1-3]。波纹管开裂失效行为将会影响生产安全,造成安全生产事故、人员伤亡和重大经济损失,已受到高度关注[4-5]。

  通过分析波纹管开裂的工程案例,可以探究波纹管形成开裂的主要原因,全方位了解波纹管开裂的影响因素[6]。李家兴等[7]对石化公司不锈钢波纹管膨胀节发生开裂的原因进行了全面分析,表明氯化物水溶液中不锈钢波纹管在残余应力、介质应力联合作用下,容易发生应力腐蚀开裂。郭河苗[8]研究了航空管路补偿器平衡式波纹管的开裂原因,应力集中导致的裂纹扩展是疲劳开裂的主要原因。李明等[9]对热电厂不锈钢波纹管开裂泄漏进行了分析,发现含氯离子媒介中耦合应力作用下,极易发生应力腐蚀,设备的使用环境值得关注。何书亮等[10]对再沸器不锈钢波纹管产生的穿透性裂纹进行了深入研究,发现氯化物应力腐蚀开裂是关键因素,为后续防护提供了指导意见。

  由于波纹管被广泛用于多个行业领域,每个领域对其工作性能的要求各不相同,失效形式存在差异性。本文在对波纹管开裂失效的因素进行全面分析的基础上,以三氯氢硅储罐出料管线金属波纹管为失效案例,对波纹管失效问题进行了全方位分析,探究了波纹管失效的主要原因,结合使用场景提出了波纹管开裂失效的防控策略,对确保工艺设备安全稳定运行具有很好的指导意义。

  1波纹管开裂失效因素

  波纹管开裂失效因素主要包括以下方面:

  (1)金属材料选择不当形成的开裂失效

  选择合理的金属材料,对提高波纹管质量和失效防控具有重要意义。材料选用过程需要考虑波纹管的具体应用工况和条件,对材料的质量进行严格的检验,对材料焊接性能进行评估,确保材料质量不会影响金属波纹管制造、施工安装。金属波纹管选材常见的材料包括奥氏体不锈钢、碳钢、铍青铜等。

  (2)设计结构缺陷形成的开裂失效

  波纹管设计结构要考虑温度载荷、工作寿命、应力强度和结构稳定性等问题[11]。波纹管有限定的温度范围,低温或高温工况对波纹管结构稳定性均会造成不良影响。随着温度升高,材料弹性模量降低,波纹管刚度和疲劳寿命均会降低;而低温工况下,材料脆性增强,容易诱发表面缺陷。同时,考虑到波纹管材料屈服强度有限,设计结构不合理将导致疲劳循环次数减低,影响疲劳寿命和结构稳定性,极易造成波纹管开裂失效。设计方案要确保波纹管在可控变形下工作,防止其失稳。当压力和位移集中作用下,易形成疲劳断裂。

  (3)腐蚀形成的开裂失效

  腐蚀将会引发波纹管开裂失效,一方面包括腐蚀介质诱发的腐蚀减薄、腐蚀疲劳等,由于波纹管壁变薄,局部范围内在介质点蚀作用下,极易造成设备损坏或失效;另一方面包括氯离子介质对不锈钢材料产生的应力腐蚀,形成多处裂纹,影响波纹管寿命[12]。

  (4)工作载荷导致的开裂失效

  对工作载荷,系统共振将会加剧波纹管的疲劳损伤,逐步引发结构开裂和失效。为了防止共振的发生,在计算波纹管固有频率的基础上,对结构体进行合理支撑至关重要。另外,波纹管表面可能会产生机械摩擦磨损,特别是外壁面波峰处。同时,波纹管的安装固定部件不合理,也会导致其发生摩擦磨损。

  2波纹管失效案例分析

  三氯氢硅储罐出料管线的金属波纹管连接位置存在开裂失效行为,将会产生介质泄漏风险。通过现场拆解波纹管后,对其操作工况进行了全面分析,探讨引发波纹管开裂失效的可能形成原因。影响金属波纹管可靠性的因素主要包括设计条件、制造过程、安装检验、运行监测、维护管理等。因此,金属波纹管的失效形式是多种多样的,主要可以从以下方面考虑原因:首先,对现场工作温度、工作压力调研发现,其均在可控范围内,因此工作温度和压力不是引发开裂失效的主要原因;其次,储罐出料管线不存在外部载荷诱发的振动或冲击现象,不会引发波纹管疲劳裂纹,排除振动或冲击引起的疲劳失效;最后,金属波纹管材料为316L奥氏体不锈钢,其具有良好的抗腐蚀性能,但在某些特定的介质中易发生应力腐蚀,而三氯氢硅介质中不含水,不会诱发应力腐蚀。

  综合考虑上述情况,可以从材料缺陷、介质腐蚀、加工制造的角度,深入分析波纹管开裂失效的原因,有针对性地提出开裂失效的防控策略。

  3波纹管失效分析

  为了对开裂不锈钢波纹管进行全面分析,可以分别对波纹管和连接法兰进行分析。由于法兰并未失效,需要对波纹管进行重点分析。运用线切割加工技术在波纹管开裂处取样,获得了断裂区样品和撕裂区样品,展开后续的分析与研究。

  3.1断口宏观形貌分析

  线切割截取波纹管样品的宏观形貌如图1所示。可以看出,该波纹管样品外表面呈现弯曲状,表面光亮且有白色附着物,未见明显裂纹存在;而内表面较干净、光滑,样品表面有白色污迹,没有明显裂纹或腐蚀坑点,是否存在腐蚀需要深入研究。

  在波纹管断口,表面光亮且无腐蚀产物存在,凸面和凹面点的差异性较小,且凹面附着物呈较密集状分布,均可以随意清除,并非腐蚀产物或腐蚀痕迹,可以排除腐蚀引发的断裂。在自然断裂区,断口呈锯齿状,高低差异性较小,表明在一定的载荷作用下最先发生断裂,而撕裂区域呈现结构分布不均匀,但断口较为平齐。

       3.2波纹管金相组织分析

  对样品进行除锈处理的基础上,运用金相试样镶嵌机进行样品镶嵌,应用全自动磨抛机进行制样处理,结合电解抛光腐蚀仪对样品进行抛光。运用药剂进行浸蚀后,在数控超声波清洗器中进行清洗。通过观察材料的金相组织、材料固溶处理工艺情况,分析材料有无明显腐蚀微观裂纹、材料断口区域微观晶粒的晶界线有无发生变化,从微观上判断腐蚀和应力对波纹管开裂的影响。

  对断裂区和撕裂区的试样分别进行制样,在金相显微镜下开展微观检测,结果如图2所示。由此可以看出:

  (1)金相未发现裂纹。对断裂区与撕裂区不同部位管材进行金相分析,显微组织主要表现为奥氏体相,晶粒较均匀,晶界清晰可辨,无明显穿晶裂纹及晶间裂纹出现。对比断裂区与撕裂区金相组织发现,断裂区晶粒尺寸与形态未发生显著变化。因此,断裂区波纹管材料未发生点蚀等局部腐蚀现象,断裂与腐蚀不相关。

  (2)材料固溶处理不均匀。对材料金相分析看出,存在少量奥氏体孪晶,材料经过固溶处理不均匀。晶粒度较粗大,晶内孪晶数量较少。固溶处理有助于提高材料的使用寿命。当固溶处理不均匀,导致材料抗蚀性较差,未能有效消除波纹管残余拉应力,将会导致波纹管发生断裂。

  (3)存在滑移带。通过对胀形后波纹管试样进行金相分析,组织结构中晶粒存在明显的滑移带,表明波纹管在加工过程中产生了内部缺陷。

  (4)无晶间腐蚀。从图2中可以看出,无明显腐蚀产物,晶界粗化但沿晶界无开裂或脱落,表明波纹管没有产生晶间开裂,排除晶间腐蚀的可能。

       4研究结果

  结合上述分析,得到以下结果:

  (1)现场收集数据反馈,波纹管工作温度、工作压力均在可控范围内,实时检测数据显示并未发现压力突变或温度过热的问题。温度、压力和共振载荷不是引起波纹管断裂的原因。

  (2)波纹管表面白色污迹是泄漏产生的介质附着物,并非腐蚀。波纹管表面并无明显腐蚀坑点或腐蚀裂纹,断口无腐蚀产物,撕裂区局部区域平齐。因此,不存在腐蚀减薄、应力腐蚀、腐蚀疲劳等问题。同时,断裂区与撕裂区不同部位金相无裂纹,无明显穿晶裂纹及晶间裂纹出现,无明显腐蚀产物,晶界粗化但沿晶界无开裂或脱落,表明波纹管没有产生晶间开裂,无点蚀行为,断裂与腐蚀无关。

  (3)材料金相图存在少量奥氏体孪晶,晶粒度较粗大,晶内孪晶数量较少,表明材料虽然经过固溶处理但并不均匀,导致材料性能降低;同时波纹管制造过程焊接结构间隙控制不准确且不均匀。因此,波纹管结构制造和材料处理得不均匀可能是诱发断裂的原因。

  5防控措施建议

  在掌握开裂原因的基础上,为避免类似事故的发生,保证安全生产长周期运行,可以考虑以下防控措施:

  (1)定期监控波纹管失稳特征

  由于波纹管特殊的几何形状在压力和位移的作用下会造成失稳,可以定期对波纹管进行在线应力检测,及时发现介质流速突变引起的振动、管道或相邻设备存在的振动、介质压力变化、结构体局部变形等危险,对确保波纹管稳定运行具有重要意义。

  (2)合理结构设计和制造检验

  可以采用有限元计算辅助设计,提供合理的设计方案,改进波纹管生产技术条件,对材料固溶处理过程进行监督与管理,确保处理后的材料达到预期性能目标。

  (3)波纹管安装合格性评估

  由于波纹管结构特殊,无法承受重量,安装时单独吊装处理。安装过程中,不能使波纹管强迫变形满足管道安装要求;同时,波纹管表面需要防护,不得有机械损伤。安装完成后,依据设计要求开展合格性评估。
参考文献:

  [1]潘恒沛,夏申琳,杨晓.Inconel 800合金波纹管开裂的原因[J].机械工程材料,2017,41(11):106-110.

  [2]张春.加氢装置膨胀节的波纹管开裂分析与改进[J].管道技术与设备,2016(6):37-39.

  [3]明卫平,张怡悦,王传志,等.不锈钢截止阀波纹管组件腐蚀开裂失效分析[J].表面技术,2016,45(2):28-33.

  [4]万泰力,孟庆武.高温烟气膨胀节波纹管开裂失效分析[J].化工机械,2015,42(5):728-730.[5]陈彩霞,郑杨艳.316L不锈钢波纹管膨胀节开裂原因分析与预防[J].理化检验(物理分册),2015,51(1):55-58.

  [6]敬松.不锈钢波纹管补偿器腐蚀开裂原因分析[J].设备管理与维修,2020(8):52-54.

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  [8]郭河苗.航空管路补偿器平衡式波纹管开裂原因[J].理化检验-物理分册,2022,58(12):51-54,57.

  [9]李明,李金红,马宇,等.波纹管补偿器开裂原因分析[J].金属加工(热加工),2022(11):69-72.

  [10]何书亮,王伟.再沸器不锈钢波纹管膨胀节开裂原因分析[J].设备管理与维修,2018(7):38-39.

  [11]王俊.波纹管开裂原因分析[J].理化检验(物理分册),2013,49(9):632-633,636.

  [12]佟铁民,齐义辉,谷志刚.金属波纹管补偿器的应力腐蚀开裂分析[J].理化检验(物理分册),2012,48(8):535-537,542.

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