城市热网不锈钢波纹管膨胀节失效分析

曾剑全

（上海市特种设备监督检验技术研究院)

城市热网不锈钢波纹管膨胀节失效分析

曾剑全*

（上海市特种设备监督检验技术研究院)

对某316L不锈钢波纹管膨胀节的开裂原因进行了分析。该膨胀节在热网蒸汽管线中服役了约4年。该管线运行压力1.1 MPa，运行温度230℃，管线介质为过热蒸汽。通过金相检查、断口分析等方法可知，该膨胀节的失效原因为碱性介质聚集所引起的碱应力腐蚀开裂。

不锈钢膨胀节波纹管失效分析腐蚀应力腐蚀开裂蒸汽管线

0 引言

某公司热网管线在正常运行过程中发生管道波纹管膨胀节开裂失效事故，该管线运行压力1.1 MPa，运行温度230℃，管道内流通介质为过热蒸汽。图1为该热网管线的局部外观示意图，图2为从该管线中取下的已开裂失效的波纹管膨胀节。

在过去的四年时间内，该公司曾进行了三次锅炉的日常维护保养，其余时间内管线总体运行平稳。但在近两年内，该热网管线中常有波纹管膨胀节发生开裂失效。本文通过实验分析了该波纹管膨胀节失效开裂的主要原因，并对预防此类失效提出了防范措施。

1 裂纹宏观检查

经该热网管线现场巡检人员反映，该失效膨胀节是在正常使用过程中发生破裂的，其使用时间为4年左右，工作温度为230℃，工作压力为1.1 MPa，流通介质为过热蒸汽，膨胀节材质为316L不锈钢。该膨胀节系国内某知名波纹管生产厂制造，其产品合格证表明，该产品严格按照国家的相关技术规范和标准进行生产，并经检验、测试合格后出厂。

现对该失效膨胀节进行取样分析，研究导致其破坏的主要原因。如图3所示，围绕该膨胀节开裂位置的四周进行切割取样。不难发现，在该膨胀节裂纹周围残留很多白色腐蚀产物。该腐蚀产物的研究分析有利于对膨胀节开裂失效的原因进行分析。本文将在后续部分对该腐蚀产物进行化学分析。

图1 某热网蒸汽管道

图2 失效的波纹管膨胀节

图3 取样位置

2 化学成分分析

由资料审查可知，该膨胀节材料为316L奥氏体不锈钢。对试样取下一部分进行化学成分分析，并将其结果与ASTM标准中相应钢号的化学成分进行对比，结果如表1所示。

从表1中可以看出，该膨胀节的化学成分均符合ASTM标准要求。由此可见，在该波纹管膨胀节服役的过程中材质未发生变化。

表1 膨胀节材料化学成分分析结果（%）

3 金相分析

对该膨胀节裂纹周围的基体和裂纹处进行金相组织分析。试样在镶嵌、预磨、抛光后，用草酸溶液电解侵蚀，得到的金相组织如图4、图5所示。

图4（a）～（e）为材料基体处的金相组织图。由图4可见，该材料属于正常的奥氏体组织，晶粒度为11级，材料晶粒有明显的方向性特征，这说明材料经过冷拔加工。

图4 材料基体处的金相组织

图5为材料裂纹处的金相组织图。由图5可见，裂纹有明显的沿晶扩展特征，并且裂纹是从内侧起裂向外侧扩展的。

图5 材料裂纹处的金相组织

由图4～图5的金相分析可以得到以下结论：（1）膨胀节材质金相组织正常，未发生任何异常变化，因此可以排除高温材质劣化的可能性。

（2）裂纹从内侧开始起裂，逐步向外扩展，由此可以判断此次开裂与波纹管膨胀节内部介质环境有关。

（3）裂纹呈蜘蛛网状，且有明显的沿晶扩展特征。

4 断口分析

对该膨胀节的断口再进行扫描电镜分析（SEM分析）和能谱分析。图6为其断口的SEM形貌图，可以看出该开裂具有明显的沿晶扩展特征，且表面有明显的腐蚀产物。

图6 断口的SEM形貌图

对断口上的腐蚀产物进行能谱分析，结果如图7所示，可以看出Na元素含量很高。

图7 断口腐蚀产物能谱分析图和数据

5 综合分析

综合上述金相组织分析、断口分析以及腐蚀产物能谱分析可知，该波纹管膨胀节失效原因是钠离子聚集造成的不锈钢材质碱应力腐蚀开裂[1]。应力腐蚀开裂是指金属在特定腐蚀介质和固定拉应力同时作用下发生的脆性开裂。腐蚀和应力的作用是相互促进的，不是简单的叠加。

奥氏体不锈钢发生沿晶开裂共有3种可能：（1）沿晶应力腐蚀开裂；（2）高温蠕变断裂；（3）高温过载断裂。

本例中的膨胀节工作温度为230℃，压力为1.1 MPa，没有达到高温蠕变断裂和高温过载断裂的条件，且从金相分析可以看出其材质未发生任何劣化，所以可以断定该膨胀节的失效为应力腐蚀开裂。再从能谱分析中可以看出，断口上的白色腐蚀产物中Na离子含量很高，超出正常的范围，由此可见，该316L不锈钢波纹管膨胀节的开裂应该是NaOH引起的碱应力腐蚀开裂[2]。

敏感的材料、特定的介质和一定的静拉应力是发生应力腐蚀的三个必要条件。对于本失效案例，这三个必要条件都是具备的。首先，300系列的奥氏体不锈钢对于本失效案例中所存在的高浓度碱性介质聚集环境是敏感的，因此此时已具备两个必要条件，即敏感的材料和特定的介质。最后一个必要条件，即一定的静拉应力也是存在的。从图3中不难发现，该膨胀节开裂的位置为波纹管的波峰位置，该位置毋庸置疑是该波纹管膨胀节中应力最为集中的部位，由此可见，一定的静拉应力也是具备的。此时，这三个必要条件共同存在且共同作用，导致了该膨胀节发生应力腐蚀开裂。

6 结论

由上述试验数据和分析可知，该不锈钢波纹管膨胀节失效原因是钠离子聚集所造成的不锈钢材质碱应力腐蚀开裂。为防止同类失效的再次发生，我们提出以下建议：

（1）正确安装该种形式的波纹管膨胀节，避免蒸汽在该膨胀节的套筒内大量聚集。在适当的热迁移条件下，如反复蒸发和凝集，碱性物质很容易在膨胀节内部富集，为发生碱应力腐蚀创造介质条件。因此，应避免此种情况发生。

（2）选择其他具备良好的抗碱性应力腐蚀性能的材料，如镍基合金。

（3）避免使用未经过消除应力处理的波纹管膨胀节。

[1]HARALDSEN K.Stress corrosion cracking of stainless steels inhighpressurealkalineelectrolyses[C]// First International Conference on Hydrogen Safety.Pisa：2005.

[2]杨帆，孙智，马景涛，等.供热管道波纹管补偿器的腐蚀失效[J].煤气与热力，2005，25(6)：13-16.

Failure Analysis of Stainless Bellows Expansion Joint in Civil Steam Pipe Network

Zeng Jianquan

The cracking of a bellows expansion joint made from 316L stainless steel was analyzed.The expansion joint cracked after serving in steam pipe network for 4 years.The operating pressure of the pipeline was 1.1 MPa,the operating temperature was 230℃,and the medium in the pipeline was superheated steam.Through the metallographic examination and fracture analysis,it was concluded that the caustic stress corrosion caused by the agglomeration of alkaline ions was responsible for the failure.

Stainless steel;Expansion joint;Bellows;Failure analysis;Corrosion;Stress corrosion cracking; Steam pipeline

TQ 053.6

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.02.016

2017-01-05）

*曾剑全，男，1958年生，助理工程师。上海市，200062。