金属波纹管开裂失效分析与防控策略研究

张敬亮，张勋，蔡丰义，陈英华，李海生

(1.江苏中能硅业科技发展有限公司，江苏 徐州 221000；2.中国矿业大学 化工学院，江苏 徐州 221116)

0 引言

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。

生产除需要固定资产外，还需要流动资产，但统计年鉴没有非工业部门的流动资产方面的数据。根据工业部门的固定资产和流动资产数据，计算工业部门的固定资产占总资产的平均比重，用这个值近似非工业各产业的固定资产占总资产的比重，然后可以计算非工业产业所需的总资产。

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。

图1 金属波纹管开裂图

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：

图2 金相组织形态

(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。

(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。