金属软管爆裂失效分析

2018-03-30卢均臣

安全、健康和环境 2018年2期

卢均臣

(中国石化青岛安全工程研究院，山东青岛 266071)

金属软管是现代工业管路中用途较广的柔性件，通常由不锈钢波纹管外编一层或多层钢丝或钢带网套，两端配以接头或法兰头构成，用于输送各种介质[1]。压缩机进出口位置通常设置金属软管，补偿因温度差与机械振动引起的附加应力。但是由于金属软管结构复杂，加工难度大，也成为最易发生失效的部件，金属软管失效事故不断发生[2-7]。

某厂压缩机出口管线处金属软管的设计压力为6.3 MPa，型号为6.3JR150AH-WN/RT-600，软管材质为304不锈钢，连接法兰材质为碳钢法兰。在试压时，金属软管接头与接头套处发生爆裂，爆裂压力为4.2 MPa。鉴于该型同批次金属软管使用数量较多，为避免类似情况再次发生，故对其进行失效分析，查明失效机理。

1 原因分析

1.1 宏观检查与测厚

对失效金属软管样品断裂部位焊缝进行检查，发现焊缝焊接质量不佳，焊缝金属厚度不均匀。对失效金属软管断裂部位的环焊缝进行厚度测量，测量部位见图2，测得焊缝最薄部位厚度约0.48 mm，详见表1。

图1 失效金属软管

图2 软管断口焊缝测厚位置示意

1.2 化学成分分析

从失效金属软管上截取波纹管、接头套、活套法兰一侧接头以及焊缝，进行化学成分分析，分析结果见表2。分析结果表明：波纹管材质为奥氏体不锈钢，接头套为铁素体不锈钢，接头为碳钢。接头与接头套相连的焊缝采用了高锰钢焊材，与接头和接头套材质不匹配。

1.3 断口分析

1.3.1宏观形貌

表1 软管断口焊缝厚度 mm

表2 化学成分分析结果 %

选取接头与接头套焊缝断口上焊缝最薄部位A进行断口分析，分析部位及断口的宏观形貌见图3。

图3 断口的取样部位及宏观形貌

1.3.2微观形貌

图4为部位A配对断口。

图4 部位A配对断口

对部位A配对断口中最薄处b位置进行分析，分析此处断裂面的微观形貌，见图5，从内壁至外壁均为韧窝形貌(见图中“b-1、b-2、b-3”)。测得b处厚度约0.25 mm。

1.4 X射线能谱分析

用X射线能谱仪对金属软管断口进行微区成分分析。能谱分析结果见表3。断口表面未发现有腐蚀性元素存在，断口处焊缝为高锰钢焊材。

图5 断口的微观形貌

1.5 焊接形式分析

对金属软管活套法兰一侧的焊接接头沿轴向剖开，观察接头与接头套相连的环焊缝全厚度截面，由图6可见，活套法兰一侧的接头与接头套和焊缝②三者相焊(焊缝①)，而接头套、钢丝网套、波纹管三者为端接焊接(焊缝②)。开裂部位位于焊缝①上。

分析表明：金属软管断裂处焊缝是分两次焊接的，先进行接头套、钢丝网套、波纹管三者的端接焊接，后将接头套与接头对接焊接，对接焊接未将钢丝网套、波纹管与接头完整焊上。

图6 活套法兰接头侧的焊接接头形式

2 结果与讨论

2.1 主要试验分析结果

试验结果：①金属软管气态试压爆裂部位位于金属软管活套法兰一侧的接头与接头套相连的环焊缝上；②金属软管断裂部位焊缝最薄部位有效厚度仅约0.25 mm；③波纹管为奥氏体不锈钢，接头套为铁素体不锈钢，接头为碳钢。接头与接头套相连的环焊缝采用了高锰钢焊材，与接头和接头套材质不匹配；④金属软管断裂最薄部位断裂面为韧窝形貌。

2.2 金属软管爆裂原因

从金属软管的结构及受力分析看，钢丝网套、波纹管、接头是受压件，需要承受载荷，而接头套是起保护钢丝网套、波纹管与接头焊缝作用的，因而将接头套与接头直接焊上，而钢丝网套、波纹管未与接头焊上，对于钢丝网套、波纹管向接头传递载荷是不利的。另一方面，采用此接头结构时对焊接施工要求较高，如出现组对不良或未焊透情况，则会显著降低接头的承载能力。

综上分析，金属软管爆裂的主要原因是活套法兰侧接头与波纹管连接焊缝结构不合理导致焊缝承载能力不足，焊缝存在严重未焊透、焊材选用不合理，进一步导致了焊缝承载能力的下降。