金屬軟管失效模式及失效原因分析
杜健,李廷夫,李曉旭,張玉杰,王健,張立佳,周國運(yùn)
(國家儀器儀表元器件質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心,遼寧沈陽)
摘要:文中根據(jù)金屬軟管的結(jié)特點(diǎn),通過對金屬軟管中的波紋管、金屬編織網(wǎng)套和接頭常見失效模式的介紹及失效原因的分析,闡明了金屬軟管在設(shè)計(jì)與選材、成型、焊接、熱處理、安裝、密封、運(yùn)輸、使用環(huán)境、內(nèi)部介質(zhì)等方面的失效原因,有助于科技人員根據(jù)失效模式的表象分析出具體的失效原因。
關(guān)鍵詞:金屬軟管;失效模式;失效原因;波紋管;網(wǎng)套;接頭
0引言
金屬軟管是現(xiàn)代工業(yè)管路中廣泛采用的一種柔性連接管道,具有質(zhì)量輕、體積小、耐腐蝕、耐高低溫等特點(diǎn)。隨著現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展,各個(gè)行業(yè)對金屬軟管的需求量不斷增大,伴隨而來的是金屬軟管在使用過程中發(fā)生的失效事故也在日益增多,造成了人身、財(cái)產(chǎn)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)等損失。研究金屬軟管的失效模式并探究失效原因?qū)⒂兄谔岣呱a(chǎn)企業(yè)及使用單位的安全使用意識,有助于金屬軟管制造企業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新及可靠性研究,有助于金屬軟管行業(yè)的快速健康發(fā)展。
1金屬軟管失效模式
1.1波紋管失效模式
金屬軟管主要由波紋管、金屬編織網(wǎng)套和接頭3部分組成。波紋管是金屬軟管的本體,起著撓性的作用。常見的失效模式有焊縫開裂、疲勞破壞、腐蝕泄漏爆破失效等形式,見圖1~圖4。
1.2網(wǎng)套失效模式
網(wǎng)套是由相互交又的若干股金屬絲或若干條金屬帶按一定順序編織而成的,起著加強(qiáng)和屏蔽的作用。常見的失效模式有鋼絲、鋼帶、絲帶的拉斷及網(wǎng)套鼓包等形式,見圖5、圖6。
1.3接頭失效模式
接頭的作用是將網(wǎng)套與波紋管聯(lián)接為一體,同時(shí),接頭又是金屬軟管與金屬軟管或其他管件、設(shè)備相聯(lián)接的部件。它保證介質(zhì)在管路系統(tǒng)中正常工作。常見的失效模式有密封泄漏、點(diǎn)蝕穿孔等形式,見圖7、圖8。
2金屬軟管失效原因
2.1波紋管失效原
2.1.1波紋管焊縫開裂
2.1.1.1焊接質(zhì)量問題導(dǎo)致焊縫開裂
金屬軟管中的柔性波紋管段,大多采用縱縫焊管。由于縱縫焊本身質(zhì)量問題使波紋管焊縫處產(chǎn)生虛焊、過燒、氣孔、枝晶疏松等缺陷,使波紋管壁的有效面積減小,強(qiáng)度顯著下降,導(dǎo)致焊縫開裂破壞。
２.１.１.２異種鋼焊接不當(dāng)導(dǎo)致焊縫開裂
金屬軟管的接頭連接工藝，通常為焊接式。當(dāng)接頭與網(wǎng)套、波紋管焊接時(shí)，例如焊縫是由珠光體和奧氏體兩種不同類型鋼的母材和填充材料混合而成，由于熔人焊縫，合金成分被沖淡，奧氏體形成的元素含量降低，焊縫會出現(xiàn)脆硬的馬氏體組織，從而使金屬軟管在使用過程中，焊縫脆性增大，產(chǎn)生裂紋，促使其抗疲勞破壞能力下降。而在出廠檢驗(yàn)時(shí)，又不易發(fā)現(xiàn)，當(dāng)它受到交變內(nèi)應(yīng)力作用時(shí)，會加速其疲勞破壞，常在接頭附近導(dǎo)致焊縫開裂。
２.１.１.３焊接材料問題導(dǎo)致焊縫腐蝕
除焊接質(zhì)量外，焊接材料選擇不當(dāng)也可導(dǎo)致焊縫腐蝕失效。在現(xiàn)場的腐蝕性環(huán)境中沒有考慮到軟管的法蘭、接頭等材料的影響，如均選用碳鋼材料且與軟管等不銹鋼零件焊接，形成典型小面積的陽極性零件和大面積的陰極性零件接觸的不利環(huán)境，形成電偶腐蝕的條件，加劇了焊縫及周圍的腐蝕，致使焊縫部位在很短時(shí)間內(nèi)腐蝕，出現(xiàn)縫隙，導(dǎo)致波紋管泄漏。
２.１.２波紋管疲勞破壞
２.１.２.１機(jī)械加工造成微裂紋
在金屬軟管的制造過程中，材料在成型軋波加工過程中由于受力不均勻，易在波峰內(nèi)表面產(chǎn)生具有規(guī)律性的微裂紋。在焊接和成型工藝過程中，微裂紋起裂于軟管內(nèi)表面，在隨后的總成試驗(yàn)及使用過程中，微裂紋產(chǎn)生疲勞擴(kuò)展，最終導(dǎo)致金屬軟管失效。
２.１.２.２熱處理不完全
熱處理不完全，將影響產(chǎn)品質(zhì)量，降低金屬材料的切削性能和加工精度，降低金屬材料的斷裂韌性，導(dǎo)致金屬材料的開裂。例如：奧氏體不銹鋼的固溶處理溫度約為1080℃，若固溶處理不完全，碳化物未能充分固溶，材料本身有碳化物析出，則會降低材料的耐蝕性和韌性，導(dǎo)致金屬軟管提早發(fā)生疲勞失效。
２.１.２.３金屬軟管公稱長度選擇不合理
在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，金屬軟管的長度取得過長，不僅會增加不必要的投資，而且會增加流動阻力，并引起附加振動。而長度過短，會使軟管經(jīng)常處在拉伸狀態(tài)，不能保證軟管在自然彎曲狀態(tài)下工作。例如實(shí)際安裝長度為100ｍｍ，但選擇了800ｍｍ的金屬軟管，下偏差為200ｍｍ，軟管偏短，產(chǎn)生過渡彎曲，導(dǎo)致軟管疲勞損壞。
２.１.２.４水擊現(xiàn)象
有壓金屬軟管管道中，輸送水和蒸汽時(shí)，使得流動不均勻，造成管道受力不均，產(chǎn)生管道振動，即發(fā)生水擊。當(dāng)水擊發(fā)生時(shí)，會對管道與其相連設(shè)備產(chǎn)生危害，特別對管道的彎曲段，受到的沖擊力相當(dāng)強(qiáng)烈，而金屬軟管本身比較薄弱，彎道較多，很容易使金屬軟管疲勞失效加速，導(dǎo)致泄漏[2]。
２.１.２.５共振現(xiàn)象
當(dāng)金屬軟管內(nèi)的介質(zhì)壓力脈動頻率與金屬軟管的固有頻率重合時(shí)，會發(fā)生共振現(xiàn)象，縮短軟管的使用壽命，導(dǎo)致軟管疲勞破壞。
２.１.３波紋管腐蝕泄漏
２.１.３.１材質(zhì)選用錯誤導(dǎo)致腐蝕泄漏
對于不銹鋼材料，Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉ等元素能使其具有良好抗點(diǎn)腐蝕性能。鋼中的含碳量降低，抗點(diǎn)蝕性能提高。當(dāng)Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉ的含量較正常值偏低，而含碳量明顯高于正常要求值，材質(zhì)的選用錯誤將促使腐蝕泄漏的發(fā)生[3]。
對于不銹鋼材料，Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉ等元素能使其具有良好抗點(diǎn)腐蝕性能。鋼中的含碳量降低，抗點(diǎn)蝕性能提高。當(dāng)Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉ的含量較正常值偏低，而含碳量明顯高于正常要求值，材質(zhì)的選用錯誤將促使腐蝕泄漏的發(fā)生[3]。
２.１.３.２酸洗工序?qū)е赂g泄漏
通常用酸洗法清除焊縫及熱影響區(qū)產(chǎn)生的薄氧化層，但酸洗的時(shí)間和溫度較難控制。在一定的溫度下，酸洗時(shí)間過長，將造成波紋管的過度腐蝕，表面發(fā)暗無光，嚴(yán)重的會變成鐵灰色；酸洗溫度過高，表面粗糙，呈現(xiàn)暗灰色，甚至在焊縫熱影響區(qū)出現(xiàn)腐蝕帶。
以上因素均可造成腐蝕穿孔。
２.１.３.３管道中腐蝕性介質(zhì)及特殊離子導(dǎo)致波紋管點(diǎn)蝕穿孔泄漏
由于目前金屬軟管的材質(zhì)大多為奧氏體型不銹鋼，這些不銹鋼中含有較多的非金屬夾雜物（如硅酸鹽、氧化物、氮化鈦等）。當(dāng)管路中通過腐蝕性介質(zhì)及特殊的活性陰離子時(shí)（如氯離子和硫離子），就會在焊縫熔合線邊緣破壞不銹鋼鈍化膜的薄弱點(diǎn)，形成腐蝕性穿透微孔，造成不銹鋼點(diǎn)腐蝕，導(dǎo)致泄漏發(fā)生[4]。
２.１.３.４環(huán)境氧化腐蝕導(dǎo)致波紋管開裂
波紋管外表面區(qū)域受到環(huán)境介質(zhì)的腐蝕，如在含有氧化物的煙塵覆蓋下，外表面易發(fā)生氧化，點(diǎn)蝕坑產(chǎn)生于氧化層被割裂部位，氧化膜或點(diǎn)蝕坑的存在會使管線的閾值應(yīng)力下降，當(dāng)受到運(yùn)行壓力引起的內(nèi)壓時(shí)，可促進(jìn)點(diǎn)腐蝕部位裂紋的擴(kuò)展，導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕開裂。
２.１.３.５機(jī)械損傷導(dǎo)致腐蝕泄漏
因金屬軟管中的波紋管管材很薄，在生產(chǎn)、運(yùn)輸、安裝、調(diào)試過程中，如受到外來的機(jī)械損傷，也可能導(dǎo)致波紋管不銹鋼鈍化膜破損，當(dāng)環(huán)境存在腐蝕性介質(zhì)時(shí)，將導(dǎo)致腐蝕泄漏發(fā)生。
２.１.４波紋管發(fā)生爆破
由于設(shè)計(jì)選型失誤，未按照軟管設(shè)計(jì)選型標(biāo)準(zhǔn)選型，導(dǎo)致波紋管的參數(shù)及網(wǎng)套參數(shù)設(shè)定不合理。如ＤＮ１５０的金屬軟管的設(shè)計(jì)壓力為２.５ＭＰａ，實(shí)際應(yīng)用在壓力為３.０ＭＰａ、環(huán)境溫度為２００℃的環(huán)境中，由于網(wǎng)套與波紋管貼合不緊密，管內(nèi)輸送介質(zhì)的壓力及溫度過高，導(dǎo)致波紋管發(fā)生爆破[5]。
２.２網(wǎng)套失效原因
２.２.１ 網(wǎng)套損傷
２.２.１.１過載導(dǎo)致網(wǎng)套斷裂
當(dāng)金屬軟管內(nèi)介質(zhì)的壓力升高時(shí)，起承壓作用鋼絲網(wǎng)套所受的應(yīng)力會增加，若鋼絲網(wǎng)套的應(yīng)力超過鋼絲的抗拉強(qiáng)度極限時(shí)，鋼絲將會發(fā)生斷裂現(xiàn)象[6] 。
２.２.１.２安裝不當(dāng)，造成網(wǎng)套拉斷
安裝不規(guī)范，對軟管施加額外應(yīng)力，如強(qiáng)行拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、摩擦、沖撞均會對金屬軟管施加附加應(yīng)力，當(dāng)附加應(yīng)力超出軟管鋼絲網(wǎng)套的極限強(qiáng)度時(shí)，會使軟管三位一體焊接部位的網(wǎng)套或其他部位的網(wǎng)套拉斷。
２.２.１.３虛焊造成網(wǎng)套拉脫
由于焊接質(zhì)量的原因，在焊接過程中形成的網(wǎng)套與法蘭焊接的熱影響區(qū)，使波紋管、環(huán)和鋼絲網(wǎng)套在三位一體焊接過程中造成部份鋼絲的虛焊、過燒或未焊上。軟管裝入管路后，由于鋼絲受力不均，在介質(zhì)壓力作用下，虛焊處鋼絲先拉脫，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)鋼絲網(wǎng)套拉脫，發(fā)生危險(xiǎn)。
２.２.１.４腐蝕導(dǎo)致網(wǎng)套崩裂
當(dāng)環(huán)境中存在腐蝕性介質(zhì)時(shí)，網(wǎng)套出現(xiàn)銹蝕，隨著腐蝕的進(jìn)一步加劇，絕大多數(shù)鋼絲外徑腐蝕嚴(yán)重，當(dāng)鋼絲腐蝕后的剩余部分承受不住高壓介質(zhì)產(chǎn)生的壓力時(shí)，鋼絲網(wǎng)套就會出現(xiàn)突然崩裂。
２.２.２ 網(wǎng)套鼓包
２.２.２.１彎曲半徑過小
在實(shí)際安裝過程中，由于軟管的安裝空間有限，當(dāng)選用軟管的長度與安裝空間尺寸不匹配，例如公稱尺寸為ＤＮ１５０，試件的剛性段長度為１００ｍｍ，縱向偏移量為２５０ｍｍ，安裝最小彎曲半徑為１８００ｍｍ，其理論計(jì)算最小試件長度為７５２５ｍｍ，但實(shí)際長度為１００００ｍｍ，大于理論計(jì)算長度過多時(shí)，因空間有限，會導(dǎo)致軟管部分區(qū)間過度彎曲，進(jìn)而導(dǎo)致外層承壓部件網(wǎng)套變形，出現(xiàn)鼓包。
２.２.２.２網(wǎng)套過松
金屬軟管在工作狀態(tài)下，其介質(zhì)引起的內(nèi)壓力中的橫向負(fù)荷主要由波紋管承受，外覆的網(wǎng)套主要承受縱向負(fù)荷。由于網(wǎng)套多由機(jī)器編織，當(dāng)網(wǎng)套編織過松，不能起到承受縱向負(fù)荷的壓力時(shí)，將導(dǎo)致網(wǎng)套鼓包現(xiàn)象的發(fā)生。
２.２.２.３編織角過大
如果編網(wǎng)過程中編織角過大，會造成網(wǎng)套覆蓋率偏大，網(wǎng)套疏松，網(wǎng)套與波紋管貼合不緊密，當(dāng)波紋管發(fā)生變形時(shí)容易產(chǎn)生鼓包。
２.３接頭失效原因
２.３.１ 密封失效
２.３.１.１ 接頭外連接部分的剛度不足導(dǎo)致密封失效
接頭外連接部分的剛度不足，可產(chǎn)生疲勞形變，導(dǎo)致密封接觸面應(yīng)力下降，造成泄漏。
接頭外連接部分的剛度不足，可產(chǎn)生疲勞形變，導(dǎo)致密封接觸面應(yīng)力下降，造成泄漏。
２.３.１.２接頭密封圈問題導(dǎo)致密封失效
由于接頭密封圈或密封墊受應(yīng)力、介質(zhì)、溫度等因素影響，出現(xiàn)損壞、老化、變質(zhì)等情況，導(dǎo)致密封性能降低，引起泄漏。
由于接頭密封圈或密封墊受應(yīng)力、介質(zhì)、溫度等因素影響，出現(xiàn)損壞、老化、變質(zhì)等情況，導(dǎo)致密封性能降低，引起泄漏。
２.３.１.３接頭密封螺栓扭緊力矩不均勻?qū)е旅芊馐?/strong>
在金屬軟管的安裝過程中，由于操作不規(guī)范，密封螺栓扭緊力矩不均勻，導(dǎo)致密封墊受力不均。當(dāng)內(nèi)部介質(zhì)壓力升高時(shí)，造成扭緊力矩薄弱區(qū)域的密封墊哧出，引起泄漏。
在金屬軟管的安裝過程中，由于操作不規(guī)范，密封螺栓扭緊力矩不均勻，導(dǎo)致密封墊受力不均。當(dāng)內(nèi)部介質(zhì)壓力升高時(shí)，造成扭緊力矩薄弱區(qū)域的密封墊哧出，引起泄漏。
２.３.２點(diǎn)蝕穿孔導(dǎo)致泄漏失效
與波紋管點(diǎn)蝕穿孔失效機(jī)理相同，金屬軟管接頭材質(zhì)通常為不銹鋼，不銹鋼中夾雜物有時(shí)呈鏈狀分布狀態(tài)，當(dāng)受到焊接的熱影響或腐蝕性介質(zhì)及特殊活性陰離子等作用時(shí)，形成穿透微孔，使軟管內(nèi)介質(zhì)泄漏。
３結(jié)束語
通過以上對金屬軟管的失效模式及失效原因的分析可知，在金屬軟管的設(shè)計(jì)與選材、成型、焊接、熱處理、安裝、密封、運(yùn)輸、使用環(huán)境、內(nèi)部介質(zhì)等環(huán)節(jié)均存在失效的可能。加強(qiáng)以上環(huán)節(jié)的監(jiān)督與控制，并實(shí)施金屬軟管的質(zhì)量與技術(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)，能夠有效減少金屬軟管在使用中的失效情況。
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