SZorb裝置管道波紋管膨脹節(jié)爆裂原因分析

中圖分類號 ΓQ055.8⁺3 文獻標志碼 B 文章編號 0254-6094（2025）03-0526-07

某煉化公司SZorb裝置管道波紋管膨脹節(jié)采用4層厚度為 0.5mm 的波紋管（材質(zhì)Inconel625）壓合后制造，以確保膨脹節(jié)的強度。該膨脹節(jié)設(shè)計壓力 4.26MPa ，工作壓力約 4.1MPa ，設(shè)計溫度 470‰ ，工作溫度 400^°C ，介質(zhì)為吸附劑（含硫） + 氫氣 + 油氣。物料間隔 25min 通過一次，每次過料時間約為100s 。過料時和不過料時膨脹節(jié)外壁溫差約為100^°C 。

該膨脹節(jié)于2019年10月投入運行，2022年11月裝置大檢修期間對其進行了外觀和著色滲透檢查，未發(fā)現(xiàn)異常。2023年4月，該膨脹節(jié)最外層波紋管發(fā)生突然爆裂，爆開的波紋管撞擊在膨脹節(jié)外護罩上，外護罩變形、崩落。該膨脹節(jié)在外層發(fā)生爆裂后繼續(xù)使用了12天才進行更換，在此期間膨脹節(jié)運行正常。

筆者對拆下的膨脹節(jié)采用宏觀檢查、無損檢測、金相分析等方法檢測分析，以找出膨脹節(jié)外層波紋管爆裂的原因。

1失效膨脹節(jié)分析

為分析膨脹節(jié)外層波紋管爆裂原因，將失效膨脹節(jié)標記為A，崩裂的最外層波紋管標記為A1（圖1），進行分析。

1.1 宏觀檢查

1.1.1 外部宏觀檢查

通過宏觀觀察爆裂的波紋管，發(fā)現(xiàn)最外層部分幾乎被展平，且因其爆開時飛出，已經(jīng)發(fā)生了嚴重的變形，內(nèi)、外壁均有一定的銹蝕，內(nèi)壁上可見1條縱焊縫（圖2）。外層波紋管的斷口均為強度破壞形成的撕裂斷口，如圖2a所示。膨脹節(jié)外層脫離后暴露出來的第2層波紋管外壁可見黑色附著物，外壁可見1條縱焊縫，整個波紋管外形保持完整，外層波紋管爆裂時分別沿上、下兩端和法蘭焊接的位置開裂，斷口也均為撕裂斷口，如圖2b所示。

根據(jù)以上情況初步推斷：在最外層波紋管爆裂之前，波紋管外壁承受了較大的內(nèi)壓，使其發(fā)生變形，波紋管因鼓脹變形而逐漸被展平。隨著壓力的增加，外層波紋管強度無法承受內(nèi)壓時，便發(fā)生了爆裂。波紋管剩余部分外壁形貌如圖3所示。

1.1.2 內(nèi)部宏觀檢查

將膨脹節(jié)兩側(cè)法蘭切割開，再將波紋管部分沿軸向剖開，可見波紋管內(nèi)層完好，沒有發(fā)現(xiàn)裂紋或其他明顯缺陷，內(nèi)壁可見1條縱焊縫。4層波紋管與上下法蘭分別焊接，觀察波紋管的截面，剩余的3層波紋管相互之間均有不同程度的分離，最內(nèi)層波紋管的內(nèi)壁有不同程度的鼓脹變形，如圖4所示。

根據(jù)波紋管的剩余3層之間均有不同程度分離的情況，初步推斷在各層之間應(yīng)存在一定的內(nèi)壓差，導致了各層的分離，存在內(nèi)部介質(zhì)穿過最內(nèi)層波紋管進人后續(xù)各層之間而發(fā)生分離的可能性。

1.2 無損檢測

1.2.1 射線檢測

對波紋管并與上下兩端法蘭焊接的部位進行了X射線檢測，未發(fā)現(xiàn)明顯的裂紋或焊接缺陷（圖5）。

1.2.2 金相分析

在體式顯微鏡下觀察波紋管整個最內(nèi)層，在內(nèi)壁縱焊縫的波峰（外徑最大）處發(fā)現(xiàn)了裂紋，如圖6中箭頭所指位置，裂紋與縱焊縫相垂直，穿過整個焊縫并擴展到母材上。將裂紋放大觀察，可以看到裂紋呈斷續(xù)擴展，部分焊縫上有兩條不連續(xù)的裂紋，裂紋周圍也沒有發(fā)現(xiàn)其他明顯宏觀缺陷。

切取裂紋位置制備成金相樣品，在金相顯微鏡下進行觀察，可看到裂紋己穿透內(nèi)層波紋管的整體厚度（圖7）。將裂紋放大觀察，可見裂紋擴展分為兩個階段，第1階段為紅色標識部分，裂紋由內(nèi)壁開始向外壁擴展，當裂紋擴展到一定長度后，剩余壁厚無法承受內(nèi)壓，于是發(fā)生失穩(wěn)斷裂，導致裂紋進人第2階段；第2階段為藍色標識部分，裂紋失穩(wěn)斷裂擴展以強度破壞的形式斷裂，裂紋呈剪切斷裂，在波紋管外壁產(chǎn)生了一定頸縮變形。

金相分析內(nèi)層裂紋處的焊縫組織為奧氏體枝晶組織，裂紋擴展主要為穿晶形式；晶內(nèi)有碳氮化物、晶界上有碳化物析出。第2層波紋管波峰位置的金相組織與內(nèi)層基體組織基本一致（圖8）。

對最外層爆破后余下的波紋管切取金相樣品，其金相組織如圖9所示，可見外層的斷裂形式為剪切的強度破壞，第2層金相組織沒有明顯差異，均為奧氏體上分布碳氮化物析出相的組織在爆裂的最外層A1上切取制備金相樣品，在外層內(nèi)壁處可見多條微小裂紋無規(guī)律分布，裂紋深度不超出一個晶粒，長度范圍在 30～40μm ，且裂紋寬度較大，如圖10所示。從形態(tài)上可以判斷出該裂紋在爆裂前已存在，因內(nèi)壓逐步增大而使裂紋張開。

圖9 金相組織

1.2.3 裂紋SEM觀察

將焊縫處的裂紋采用機械方式打開，觀察裂紋斷口的特征及開裂形式。原始裂紋的斷口較為平整，表面呈暗黑色，上面覆蓋有腐蝕產(chǎn)物，人工打開的斷口表面光亮，呈金屬光澤，如圖11所示。

如圖12所示為掃描電鏡下斷口形貌，在掃描電鏡下觀察斷口，原始裂紋的斷口上由內(nèi)壁到外壁可分為兩個區(qū)域，區(qū)域I的范圍較大，斷口表面覆蓋有腐蝕產(chǎn)物，無法分辨斷口特征，區(qū)域Ⅱ的斷口表面可見裂紋擴展時產(chǎn)生的宏觀撕裂棱（圖12a）。在高倍下觀察在兩個區(qū)域的交界處、未被腐蝕產(chǎn)物覆蓋的位置可見疲勞輝紋（圖12b）。

1.2.4 硬度測試

對失效膨脹節(jié)裂紋位置波峰處3層波紋管和端部保留最外層位置取樣，進行顯微維氏硬度（HV0.5）測量，在開裂位置的波峰處，內(nèi)層裂紋兩側(cè)硬度值相對較高，其他兩層較為接近；在端部取樣的4層波紋管，最外層硬度值較高，接近開裂位置的硬度，其他3層的硬度值較低，測量位置及測量值如圖13所示。

1.2.5 化學成分

采用直讀光譜儀對失效膨脹節(jié)的4層波紋管分別進行了材料成分分析，結(jié)果符合Inconel625成分要求。

2 結(jié)果分析

根據(jù)檢查結(jié)果判斷：失效膨脹節(jié)的波紋管外層爆裂形式主要為強度破壞。原因為波紋管在溫度、壓力變化引起的交變應(yīng)力作用下，生成應(yīng)力腐蝕裂紋，長時間后疲勞擴展，發(fā)生泄漏。介質(zhì)泄漏到各層波紋管之間，各層波紋管在內(nèi)壓作用下發(fā)生了分離，最外層在內(nèi)壓作用下發(fā)生鼓脹變形，最終無法承受內(nèi)壓發(fā)生爆裂。

根據(jù)該失效膨脹節(jié)的運行工況，分析發(fā)生應(yīng)力腐蝕的原因主要為：

a.該膨脹節(jié)在工作時因溫度、壓力變化而產(chǎn)生周期性交變應(yīng)力，波紋管的波峰處是受力最大的位置，且其硬度較其他位置要高，易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂。內(nèi)層波紋管在內(nèi)壁發(fā)生應(yīng)力腐蝕后，產(chǎn)生微小裂紋，裂紋持續(xù)受到交變應(yīng)力，疲勞擴展發(fā)生泄漏。

b.該膨脹節(jié)所處位置為一段傾斜的直管中部，該直管沒有其他支撐結(jié)構(gòu)，使得失效膨脹節(jié)承受較大的應(yīng)力，增加了開裂的風險。

c.該膨脹節(jié)在外層爆裂后仍堅持使用十幾天的時間，說明該膨脹節(jié)在內(nèi)層泄漏后，中間兩層波紋管的泄漏點很小或裂紋處于閉合狀態(tài)，泄漏量較小，短時間內(nèi)能夠堅持使用。

3 結(jié)論和建議

某石化公司SZorb裝置管道波紋管膨脹節(jié)操作溫度、操作壓力高，介質(zhì)為易燃易爆的氫氣、油氣，一旦發(fā)生泄漏，極易發(fā)生著火、爆炸等安全事故。經(jīng)分析可知，膨脹節(jié)是在內(nèi)部介質(zhì)作用下產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂，后在交變應(yīng)力作用下裂紋疲勞擴展，最終在承壓能力不足時爆裂。為避免事故發(fā)生，針對上述分析，可采取以下措施：

a.在膨脹節(jié)設(shè)計時充分考慮壓力、溫度、介質(zhì)特性及安裝環(huán)境等因素，確定合理的設(shè)計裕量，適當增加波紋管的層數(shù)和厚度，確保膨脹節(jié)本質(zhì)安全；b.對該管段上直管部分增加相應(yīng)的結(jié)構(gòu)支撐，減小膨脹節(jié)波紋管的承載力；C.對膨脹節(jié)外部進行保溫，減小溫差應(yīng)力；d.對膨脹節(jié)波紋管進行定期檢查，發(fā)現(xiàn)外層有鼓脹時及時更換，避免爆管發(fā)生。

（收稿日期：2024-09-23，修回日期：2025-05-03）