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.江蘇中能硅業科技發展有限公司，江蘇 徐州 221000；2.中國礦業大學 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、電力等行業領域[1-3]。波紋管開裂失效行為將會影響生產安全，造成安全生產事故、人員傷亡和重大經濟損失，已受到高度關注[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發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力、介質應力聯合作用下，容易發生應力腐蝕開裂。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，發現含氯離子媒介中耦合應力作用下，極易發生應力腐蝕，設備的使用環境值得關注。何書亮等[10]對再沸器不銹鋼波紋管產生的穿透性裂紋進行了深入研究，發現氯化物應力腐蝕開裂是關鍵因素，為后續防護提供了指導意見。

由于波紋管被廣泛用于多個行業領域，每個領域對其工作性能的要求各不相同，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，對確保工藝設備安全穩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用工況和條件，對材料的質量進行嚴格的檢驗，對材料焊接性能進行評估，確保材料質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)設計結構缺陷形成的開裂失效

波紋管設計結構要考慮溫度載荷、工作壽命、應力強度和結構穩定性等問題[11]。波紋管有限定的溫度范圍，低溫或高溫工況對波紋管結構穩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，容易誘發表面缺陷。同時，考慮到波紋管材料屈服強度有限，設計結構不合理將導致疲勞循環次數減低，影響疲勞壽命和結構穩定性，極易造成波紋管開裂失效。設計方案要確保波紋管在可控變形下工作，防止其失穩。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

腐蝕將會引發波紋管開裂失效，一方面包括腐蝕介質誘發的腐蝕減薄、腐蝕疲勞等，由于波紋管壁變薄，局部范圍內在介質點蝕作用下，極易造成設備損壞或失效；另一方面包括氯離子介質對不銹鋼材料產生的應力腐蝕，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，系統共振將會加劇波紋管的疲勞損傷，逐步引發結構開裂和失效。為了防止共振的發生，在計算波紋管固有頻率的基礎上，對結構體進行合理支撐至關重要。另外，波紋管表面可能會產生機械摩擦磨損，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，將會產生介質泄漏風險。通過現場拆解波紋管后，對其操作工況進行了全面分析，探討引發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計條件、制造過程、安裝檢驗、運行監測、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，對現場工作溫度、工作壓力調研發現，其均在可控范圍內，因此工作溫度和壓力不是引發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的振動或沖擊現象，不會引發波紋管疲勞裂紋，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中易發生應力腐蝕，而三氯氫硅介質中不含水，不會誘發應力腐蝕。

綜合考慮上述情況，可以從材料缺陷、介質腐蝕、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。

生產除需要固定資產外，還需要流動資產，但統計年鑒沒有非工業部門的流動資產方面的數據。根據工業部門的固定資產和流動資產數據，計算工業部門的固定資產占總資產的平均比重，用這個值近似非工業各產業的固定資產占總資產的比重，然后可以計算非工業產業所需的總資產。

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在波紋管開裂處取樣，獲得了斷裂區樣品和撕裂區樣品，展開后續的分析與研究。

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?，該波紋管樣品外表面呈現彎曲狀，表面光亮且有白色附著物，未見明顯裂紋存在；而內表面較干凈、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，并非腐蝕產物或腐蝕痕跡，可以排除腐蝕引發的斷裂。在自然斷裂區，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生斷裂，而撕裂區域呈現結構分布不均勻，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上，運用金相試樣鑲嵌機進行樣品鑲嵌，應用全自動磨拋機進行制樣處理，結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、材料斷口區域微觀晶粒的晶界線有無發生變化，從微觀上判斷腐蝕和應力對波紋管開裂的影響。

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

圖2 金相組織形態

(1)金相未發現裂紋。對斷裂區與撕裂區不同部位管材進行金相分析，顯微組織主要表現為奧氏體相，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。對比斷裂區與撕裂區金相組織發現，斷裂區晶粒尺寸與形態未發生顯著變化。因此，斷裂區波紋管材料未發生點蝕等局部腐蝕現象，斷裂與腐蝕不相關。

(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，材料經過固溶處理不均勻。晶粒度較粗大，晶內孿晶數量較少。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力，將會導致波紋管發生斷裂。

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

4 研究結果

結合上述分析，得到以下結果：

(1)現場收集數據反饋，波紋管工作溫度、工作壓力均在可控范圍內，實時檢測數據顯示并未發現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生的介質附著物，并非腐蝕。波紋管表面并無明顯腐蝕坑點或腐蝕裂紋，斷口無腐蝕產物，撕裂區局部區域平齊。因此，不存在腐蝕減薄、應力腐蝕、腐蝕疲勞等問題。同時，斷裂區與撕裂區不同部位金相無裂紋，無明顯穿晶裂紋及晶間裂紋出現，無明顯腐蝕產物，晶界粗化但沿晶界無開裂或脫落，表明波紋管沒有產生晶間開裂，無點蝕行為，斷裂與腐蝕無關。

(3)材料金相圖存在少量奧氏體孿晶，晶粒度較粗大，晶內孿晶數量較少，表明材料雖然經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構間隙控制不準確且不均勻。因此，波紋管結構制造和材料處理得不均勻可能是誘發斷裂的原因。

5 防控措施建議

在掌握開裂原因的基礎上，為避免類似事故的發生，保證安全生產長周期運行，可以考慮以下防控措施：

(1)定期監控波紋管失穩特征

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，可以定期對波紋管進行在線應力檢測，及時發現介質流速突變引起的振動、管道或相鄰設備存在的振動、介質壓力變化、結構體局部變形等危險，對確保波紋管穩定運行具有重要意義。

(2)合理結構設計和制造檢驗

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

(3)波紋管安裝合格性評估

由于波紋管結構特殊，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，依據設計要求開展合格性評估。