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
(國家儀器儀表元器件質量監督檢驗中心,遼寧沈陽)
摘要:文中根據金屬軟管的結特點,通過對金屬軟管中的波紋管、金屬編織網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計與選材、成型、焊接、熱處理、安裝、密封、運輸、使用環境、內部介質等方面的失效原因,有助于科技人員根據失效模式的表象分析出具體的失效原因。
關鍵詞:金屬軟管;失效模式;失效原因;波紋管;網套;接頭
0引言
金屬軟管是現代工業管路中廣泛采用的一種柔性連接管道,具有質量輕、體積小、耐腐蝕、耐高低溫等特點。隨著現代化工業的發展,各個行業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生的失效事故也在日益增多,造成了人身、財產、環境、經濟等損失。研究金屬軟管的失效模式并探究失效原因將有助于提高生產企業及使用單位的安全使用意識,有助于金屬軟管制造企業的技術創新及可靠性研究,有助于金屬軟管行業的快速健康發展。
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網套失效模式
網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
接頭的作用是將網套與波紋管聯接為一體,同時,接頭又是金屬軟管與金屬軟管或其他管件、設備相聯接的部件。它保證介質在管路系統中正常工作。常見的失效模式有密封泄漏、點蝕穿孔等形式,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焊接質量問題導致焊縫開裂
金屬軟管中的柔性波紋管段,大多采用縱縫焊管。由于縱縫焊本身質量問題使波紋管焊縫處產生虛焊、過燒、氣孔、枝晶疏松等缺陷,使波紋管壁的有效面積減小,強度顯著下降,導致焊縫開裂破壞。
２.１.１.２異種鋼焊接不當導致焊縫開裂
金屬軟管的接頭連接工藝，通常為焊接式。當接頭與網套、波紋管焊接時，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，產生裂紋，促使其抗疲勞破壞能力下降。而在出廠檢驗時，又不易發現，當它受到交變內應力作用時，會加速其疲勞破壞，常在接頭附近導致焊縫開裂。
２.１.１.３焊接材料問題導致焊縫腐蝕
除焊接質量外，焊接材料選擇不當也可導致焊縫腐蝕失效。在現場的腐蝕性環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間內腐蝕，出現縫隙，導致波紋管泄漏。
２.１.２波紋管疲勞破壞
２.１.２.１機械加工造成微裂紋
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，易在波峰內表面產生具有規律性的微裂紋。在焊接和成型工藝過程中，微裂紋起裂于軟管內表面，在隨后的總成試驗及使用過程中，微裂紋產生疲勞擴展，最終導致金屬軟管失效。
２.１.２.２熱處理不完全
熱處理不完全，將影響產品質量，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，導致金屬軟管提早發生疲勞失效。
２.１.２.３金屬軟管公稱長度選擇不合理
在實際應用中發現，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，會使軟管經常處在拉伸狀態，不能保證軟管在自然彎曲狀態下工作。例如實際安裝長度為100ｍｍ，但選擇了800ｍｍ的金屬軟管，下偏差為200ｍｍ，軟管偏短，產生過渡彎曲，導致軟管疲勞損壞。
２.１.２.４水擊現象
有壓金屬軟管管道中，輸送水和蒸汽時，使得流動不均勻，造成管道受力不均，產生管道振動，即發生水擊。當水擊發生時，會對管道與其相連設備產生危害，特別對管道的彎曲段，受到的沖擊力相當強烈，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，導致泄漏[2]。
２.１.２.５共振現象
當金屬軟管內的介質壓力脈動頻率與金屬軟管的固有頻率重合時，會發生共振現象，縮短軟管的使用壽命，導致軟管疲勞破壞。
２.１.３波紋管腐蝕泄漏
２.１.３.１材質選用錯誤導致腐蝕泄漏
對于不銹鋼材料，Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉ等元素能使其具有良好抗點腐蝕性能。鋼中的含碳量降低，抗點蝕性能提高。當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，材質的選用錯誤將促使腐蝕泄漏的發生[3]。
對于不銹鋼材料，Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉ等元素能使其具有良好抗點腐蝕性能。鋼中的含碳量降低，抗點蝕性能提高。當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，材質的選用錯誤將促使腐蝕泄漏的發生[3]。
２.１.３.２酸洗工序導致腐蝕泄漏
通常用酸洗法清除焊縫及熱影響區產生的薄氧化層，但酸洗的時間和溫度較難控制。在一定的溫度下，酸洗時間過長，將造成波紋管的過度腐蝕，表面發暗無光，嚴重的會變成鐵灰色；酸洗溫度過高，表面粗糙，呈現暗灰色，甚至在焊縫熱影響區出現腐蝕帶。
以上因素均可造成腐蝕穿孔。
２.１.３.３管道中腐蝕性介質及特殊離子導致波紋管點蝕穿孔泄漏
由于目前金屬軟管的材質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）。當管路中通過腐蝕性介質及特殊的活性陰離子時（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，形成腐蝕性穿透微孔，造成不銹鋼點腐蝕，導致泄漏發生[4]。
２.１.３.４環境氧化腐蝕導致波紋管開裂
波紋管外表面區域受到環境介質的腐蝕，如在含有氧化物的煙塵覆蓋下，外表面易發生氧化，點蝕坑產生于氧化層被割裂部位，氧化膜或點蝕坑的存在會使管線的閾值應力下降，當受到運行壓力引起的內壓時，可促進點腐蝕部位裂紋的擴展，導致應力腐蝕開裂。
２.１.３.５機械損傷導致腐蝕泄漏
因金屬軟管中的波紋管管材很薄，在生產、運輸、安裝、調試過程中，如受到外來的機械損傷，也可能導致波紋管不銹鋼鈍化膜破損，當環境存在腐蝕性介質時，將導致腐蝕泄漏發生。
２.１.４波紋管發生爆破
由于設計選型失誤，未按照軟管設計選型標準選型，導致波紋管的參數及網套參數設定不合理。如ＤＮ１５０的金屬軟管的設計壓力為２.５ＭＰａ，實際應用在壓力為３.０ＭＰａ、環境溫度為２００℃的環境中，由于網套與波紋管貼合不緊密，管內輸送介質的壓力及溫度過高，導致波紋管發生爆破[5]。
２.２網套失效原因
２.２.１ 網套損傷
２.２.１.１過載導致網套斷裂
當金屬軟管內介質的壓力升高時，起承壓作用鋼絲網套所受的應力會增加，若鋼絲網套的應力超過鋼絲的抗拉強度極限時，鋼絲將會發生斷裂現象[6] 。
２.２.１.２安裝不當，造成網套拉斷
安裝不規范，對軟管施加額外應力，如強行拉伸、壓縮、彎曲、扭轉、摩擦、沖撞均會對金屬軟管施加附加應力，當附加應力超出軟管鋼絲網套的極限強度時，會使軟管三位一體焊接部位的網套或其他部位的網套拉斷。
２.２.１.３虛焊造成網套拉脫
由于焊接質量的原因，在焊接過程中形成的網套與法蘭焊接的熱影響區，使波紋管、環和鋼絲網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，在介質壓力作用下，虛焊處鋼絲先拉脫，進而導致整個鋼絲網套拉脫，發生危險。
２.２.１.４腐蝕導致網套崩裂
當環境中存在腐蝕性介質時，網套出現銹蝕，隨著腐蝕的進一步加劇，絕大多數鋼絲外徑腐蝕嚴重，當鋼絲腐蝕后的剩余部分承受不住高壓介質產生的壓力時，鋼絲網套就會出現突然崩裂。
２.２.２ 網套鼓包
２.２.２.１彎曲半徑過小
在實際安裝過程中，由于軟管的安裝空間有限，當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，其理論計算最小試件長度為７５２５ｍｍ，但實際長度為１００００ｍｍ，大于理論計算長度過多時，因空間有限，會導致軟管部分區間過度彎曲，進而導致外層承壓部件網套變形，出現鼓包。
２.２.２.２網套過松
金屬軟管在工作狀態下，其介質引起的內壓力中的橫向負荷主要由波紋管承受，外覆的網套主要承受縱向負荷。由于網套多由機器編織，當網套編織過松，不能起到承受縱向負荷的壓力時，將導致網套鼓包現象的發生。
２.２.２.３編織角過大
如果編網過程中編織角過大，會造成網套覆蓋率偏大，網套疏松，網套與波紋管貼合不緊密，當波紋管發生變形時容易產生鼓包。
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致密封失效
接頭外連接部分的剛度不足，可產生疲勞形變，導致密封接觸面應力下降，造成泄漏。
接頭外連接部分的剛度不足，可產生疲勞形變，導致密封接觸面應力下降，造成泄漏。
２.３.１.２接頭密封圈問題導致密封失效
由于接頭密封圈或密封墊受應力、介質、溫度等因素影響，出現損壞、老化、變質等情況，導致密封性能降低，引起泄漏。
由于接頭密封圈或密封墊受應力、介質、溫度等因素影響，出現損壞、老化、變質等情況，導致密封性能降低，引起泄漏。
２.３.１.３接頭密封螺栓扭緊力矩不均勻導致密封失效
在金屬軟管的安裝過程中，由于操作不規范，密封螺栓扭緊力矩不均勻，導致密封墊受力不均。當內部介質壓力升高時，造成扭緊力矩薄弱區域的密封墊哧出，引起泄漏。
在金屬軟管的安裝過程中，由于操作不規范，密封螺栓扭緊力矩不均勻，導致密封墊受力不均。當內部介質壓力升高時，造成扭緊力矩薄弱區域的密封墊哧出，引起泄漏。
２.３.２點蝕穿孔導致泄漏失效
與波紋管點蝕穿孔失效機理相同，金屬軟管接頭材質通常為不銹鋼，不銹鋼中夾雜物有時呈鏈狀分布狀態，當受到焊接的熱影響或腐蝕性介質及特殊活性陰離子等作用時，形成穿透微孔，使軟管內介質泄漏。
３結束語
通過以上對金屬軟管的失效模式及失效原因的分析可知，在金屬軟管的設計與選材、成型、焊接、熱處理、安裝、密封、運輸、使用環境、內部介質等環節均存在失效的可能。加強以上環節的監督與控制，并實施金屬軟管的質量與技術驗證試驗，能夠有效減少金屬軟管在使用中的失效情況。
參考文獻：
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