金屬軟管爆裂失效分析

盧均臣

(中國石化青島安全工程研究院，山東青島 266071)

金屬軟管是現(xiàn)代工業(yè)管路中用途較廣的柔性件，通常由不銹鋼波紋管外編一層或多層鋼絲或鋼帶網(wǎng)套，兩端配以接頭或法蘭頭構(gòu)成，用于輸送各種介質(zhì)[1]。壓縮機(jī)進(jìn)出口位置通常設(shè)置金屬軟管，補償因溫度差與機(jī)械振動引起的附加應(yīng)力。但是由于金屬軟管結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工難度大，也成為最易發(fā)生失效的部件，金屬軟管失效事故不斷發(fā)生[2-7]。

某廠壓縮機(jī)出口管線處金屬軟管的設(shè)計壓力為6.3 MPa，型號為6.3JR150AH-WN/RT-600，軟管材質(zhì)為304不銹鋼，連接法蘭材質(zhì)為碳鋼法蘭。在試壓時，金屬軟管接頭與接頭套處發(fā)生爆裂，爆裂壓力為4.2 MPa。鑒于該型同批次金屬軟管使用數(shù)量較多，為避免類似情況再次發(fā)生，故對其進(jìn)行失效分析，查明失效機(jī)理。

1 原因分析

1.1 宏觀檢查與測厚

對失效金屬軟管樣品斷裂部位焊縫進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)焊縫焊接質(zhì)量不佳，焊縫金屬厚度不均勻。對失效金屬軟管斷裂部位的環(huán)焊縫進(jìn)行厚度測量，測量部位見圖2，測得焊縫最薄部位厚度約0.48 mm，詳見表1。

圖1 失效金屬軟管

圖2 軟管斷口焊縫測厚位置示意

1.2 化學(xué)成分分析

從失效金屬軟管上截取波紋管、接頭套、活套法蘭一側(cè)接頭以及焊縫，進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果見表2。分析結(jié)果表明：波紋管材質(zhì)為奧氏體不銹鋼，接頭套為鐵素體不銹鋼，接頭為碳鋼。接頭與接頭套相連的焊縫采用了高錳鋼焊材，與接頭和接頭套材質(zhì)不匹配。

1.3 斷口分析

1.3.1宏觀形貌

表1 軟管斷口焊縫厚度 mm

表2 化學(xué)成分分析結(jié)果 %

選取接頭與接頭套焊縫斷口上焊縫最薄部位A進(jìn)行斷口分析，分析部位及斷口的宏觀形貌見圖3。

圖3 斷口的取樣部位及宏觀形貌

1.3.2微觀形貌

圖4為部位A配對斷口。

圖4 部位A配對斷口

對部位A配對斷口中最薄處b位置進(jìn)行分析，分析此處斷裂面的微觀形貌，見圖5，從內(nèi)壁至外壁均為韌窩形貌(見圖中“b-1、b-2、b-3”)。測得b處厚度約0.25 mm。

1.4 X射線能譜分析

用X射線能譜儀對金屬軟管斷口進(jìn)行微區(qū)成分分析。能譜分析結(jié)果見表3。斷口表面未發(fā)現(xiàn)有腐蝕性元素存在，斷口處焊縫為高錳鋼焊材。

圖5 斷口的微觀形貌

%

1.5 焊接形式分析

對金屬軟管活套法蘭一側(cè)的焊接接頭沿軸向剖開，觀察接頭與接頭套相連的環(huán)焊縫全厚度截面，由圖6可見，活套法蘭一側(cè)的接頭與接頭套和焊縫②三者相焊(焊縫①)，而接頭套、鋼絲網(wǎng)套、波紋管三者為端接焊接(焊縫②)。開裂部位位于焊縫①上。

分析表明：金屬軟管斷裂處焊縫是分兩次焊接的，先進(jìn)行接頭套、鋼絲網(wǎng)套、波紋管三者的端接焊接，后將接頭套與接頭對接焊接，對接焊接未將鋼絲網(wǎng)套、波紋管與接頭完整焊上。

圖6 活套法蘭接頭側(cè)的焊接接頭形式

2 結(jié)果與討論

2.1 主要試驗分析結(jié)果

試驗結(jié)果：①金屬軟管氣態(tài)試壓爆裂部位位于金屬軟管活套法蘭一側(cè)的接頭與接頭套相連的環(huán)焊縫上；②金屬軟管斷裂部位焊縫最薄部位有效厚度僅約0.25 mm；③波紋管為奧氏體不銹鋼，接頭套為鐵素體不銹鋼，接頭為碳鋼。接頭與接頭套相連的環(huán)焊縫采用了高錳鋼焊材，與接頭和接頭套材質(zhì)不匹配；④金屬軟管斷裂最薄部位斷裂面為韌窩形貌。

2.2 金屬軟管爆裂原因

從金屬軟管的結(jié)構(gòu)及受力分析看，鋼絲網(wǎng)套、波紋管、接頭是受壓件，需要承受載荷，而接頭套是起保護(hù)鋼絲網(wǎng)套、波紋管與接頭焊縫作用的，因而將接頭套與接頭直接焊上，而鋼絲網(wǎng)套、波紋管未與接頭焊上，對于鋼絲網(wǎng)套、波紋管向接頭傳遞載荷是不利的。另一方面，采用此接頭結(jié)構(gòu)時對焊接施工要求較高，如出現(xiàn)組對不良或未焊透情況，則會顯著降低接頭的承載能力。

綜上分析，金屬軟管爆裂的主要原因是活套法蘭側(cè)接頭與波紋管連接焊縫結(jié)構(gòu)不合理導(dǎo)致焊縫承載能力不足，焊縫存在嚴(yán)重未焊透、焊材選用不合理，進(jìn)一步導(dǎo)致了焊縫承載能力的下降。

3 建議措施

a)對在役的同型號金屬軟管進(jìn)行無損探傷檢驗，合格后方可繼續(xù)使用，不合格產(chǎn)品全部進(jìn)行更換。

b)加強金屬軟管到貨質(zhì)量驗收，必要時委托第三方檢驗機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢驗。

[1] 李延夫,李曉旭,張玉杰,等.金屬軟管產(chǎn)品質(zhì)量及應(yīng)用現(xiàn)狀[J].管道技術(shù)與設(shè)備,2015 (1):1-2,39.

[2] 杜健,李延夫,李曉旭,等.金屬軟管失效模式及失效原因分析[J].管道技術(shù)與設(shè)備,2015 (3):1-3.

[3] 楊樹景.金屬軟管開裂分析及預(yù)防[J].大氮肥,2012,35(3):188-192.

[4] 李良華,曹銀平,張福行，等.金屬軟管爆裂原因分析及對策[J].中國特種設(shè)備安全,2014 (1):57-58.

[5] 曹月鳳,曹榮林,陳亞群,等.金屬軟管泄漏原因分析及處理[J].大科技,2016 (17):315.

[6] 華樂,李永生.離心式空壓機(jī)出口旁路金屬軟管爆裂的失效分析[C].第十屆全國膨脹節(jié)學(xué)術(shù)會議論文集.2008:159-164.

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