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金屬軟管泄漏原因分析與預防
陳彩霞,王步美,陳楊
江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院
摘要:某核電設備上使用的金屬軟管在1年內發(fā)生泄漏。采用掃描電鏡、光學(xué)顯微鏡、顯微硬度計等儀器對泄漏的金屬軟管進(jìn)行了宏觀(guān)和微觀(guān)檢驗、硬度檢測及化學(xué)成分分析。結果表明,金屬軟管的泄漏是由鋼絲網(wǎng)套與波紋管發(fā)生摩擦引起的機械損傷導致的。同時(shí),提出了相應的預防措施。
關(guān)鍵詞:金屬軟管;波紋管;鋼絲網(wǎng)套;犁痕;摩擦
 
0引言
某主泵冷卻水循環(huán)系統中使用的金屬軟管在1年內發(fā)生了泄漏,圖1為使用單位采用氣密性試驗查找出泄漏部位、將該部位附近的鋼絲網(wǎng)套去除后的金屬軟管的宏觀(guān)形貌。該金屬軟管在使用現場(chǎng)豎直方向S形彎曲安裝,兩頭法蘭連接,通徑DN80mm,長(cháng)度750mm,現場(chǎng)有三維震動(dòng),有效振動(dòng)加速度為水平2.1mm/s,垂直4.3mm/s,軸向8.5mm/s。工作壓力12bar,工作溫度75℃,介質(zhì)為除鹽水添加磷酸三鈉,pH值11~11.5。
該金屬軟管按GB/T14525—2010《波紋金屬軟管通用技術(shù)條件》[1]生產(chǎn)制備。波紋管材料為06Cr18Ni11Ti,壁厚0.3mm,固溶熱處理狀態(tài),材料標準為GB/T3280—2007《不銹鋼冷軋鋼板和鋼帶》[2];網(wǎng)套采用鋼絲編織而成,編織參數為64mm×14mm×0.4mm,材料為06Cr19Ni10,冷拉狀態(tài),材料標準為GB/T4240—2009《不銹鋼絲》[3]。
文中采用化學(xué)分析、硬度分析、宏觀(guān)及微觀(guān)檢驗等方法,對該金屬軟管的泄漏失效原因進(jìn)行分析,并提出相應的預防措施。
 
圖1泄漏金屬軟管宏觀(guān)形貌
 
1理化檢驗
1.1宏觀(guān)檢驗
1.1.1泄漏金屬軟管宏觀(guān)形貌
圖1示出泄漏金屬軟管及泄漏孔部位的宏觀(guān)形貌,該金屬軟管略呈彎曲弧形狀。泄漏孔位于波紋管波峰上,與波紋管的軸成45°,與外部網(wǎng)套的鋼絲編織方向一致,在泄漏孔附近有很多與鋼絲編織方向一致的磨痕,磨痕處呈黃褐色。泄漏孔附近的外部鋼絲網(wǎng)套有黃褐色銹跡。
去除泄漏金屬軟管的鋼絲網(wǎng)套,對鋼絲網(wǎng)套內表面及波紋管進(jìn)行宏觀(guān)形貌觀(guān)察。
鋼絲網(wǎng)套內表面的宏觀(guān)形貌如圖2所示??梢钥闯?,鋼絲表面有銹跡,局部不平整,沿著(zhù)鋼絲的兩個(gè)編織方向有鋼絲凸出、翹曲現象。泄漏孔附近的鋼絲網(wǎng)套內部的鋼絲翹曲、凸出的程度更大,有的鋼絲還發(fā)生錯位折疊現象。將鋼絲網(wǎng)套展開(kāi),在其內表面發(fā)現多處銹蝕部位存在磨痕。
波紋管的宏觀(guān)形貌如圖3所示??梢钥闯?,金屬軟管整個(gè)波紋管段沿著(zhù)軸向呈彎曲弧形狀,泄漏孔位于波紋管背彎面一側的波峰處。在泄漏孔附近的背彎面波峰上有許多磨痕,磨痕方向與波紋管軸向成45°,有的磨痕方向相互垂直,與外部鋼絲網(wǎng)套的編織方向一致。




 
 
圖2鋼絲網(wǎng)套內表面宏觀(guān)形貌
 
1.1.2波紋管泄漏孔、未磨穿磨痕、鋼絲網(wǎng)套內表面磨痕宏觀(guān)形貌
在圖3所示的泄漏孔及未磨穿磨痕處分別取樣,采用體式顯微鏡對其進(jìn)行宏觀(guān)檢驗。
泄漏孔的宏觀(guān)形貌如圖4所示??梢钥闯?,泄漏孔外表面有黃褐色斑,局部有被磨蹭的白亮層,泄漏孔兩頭開(kāi)口較大,沿著(zhù)一定的傾角逐漸延伸至內表面;泄漏孔內表面周?chē)鷧^域光滑,在泄漏孔邊緣連著(zhù)一條未完全脫離的金屬皮。

圖3波紋管的宏觀(guān)形貌


圖4泄漏孔的宏觀(guān)形貌
 
未磨穿磨痕的宏觀(guān)形貌如圖5所示??梢钥闯?,磨痕位于波紋管波峰外表面,沿著(zhù)與波紋管軸向成45°方向上呈凹坑狀,凹坑內部有與磨痕形成方向垂直的細微痕跡。
圖5未磨穿磨痕的宏觀(guān)形貌50×
在圖2(c)所示的鋼絲內表面磨痕處取樣,采用體式顯微鏡對其進(jìn)行宏觀(guān)形貌觀(guān)察,從圖6中可以發(fā)現鋼絲內表面有一定的磨損,鋼絲局部變形,呈扁平狀。
圖6鋼絲網(wǎng)套內表面磨痕宏觀(guān)形貌10×
1.2化學(xué)成分分析
采用碳硫分析儀、電感耦合等離子體質(zhì)譜儀、分光光度儀對波紋管、鋼絲進(jìn)行化學(xué)成分分析,結果如表1所示。
對照波紋管原材料標準GB/T3280—2007《不銹鋼冷軋鋼板和鋼帶》,其Cr,Ni,Ti含量偏低,但在GB/T222—2006《鋼的成品化學(xué)成分允許偏差》范圍內;對照鋼絲原材料標準GB/T4240—2009《不銹鋼絲》,鋼絲的化學(xué)成分合格。
1.3波紋管泄漏孔、未磨穿磨痕微觀(guān)形貌
采用掃描電鏡對圖4所示的泄漏孔內外表面、圖5所示的未磨穿磨痕進(jìn)行微觀(guān)形貌觀(guān)察。
泄漏孔的內外表面的微觀(guān)形貌如圖7所示。
圖7(a)示出泄漏孔外表面的磨損形貌,泄漏孔兩頭留下沿著(zhù)一個(gè)方向傾斜的條帶,條帶細窄且密集分布,將條帶放大至500倍可見(jiàn)一條條的犁痕及深淺不一的犁溝,屬典型的機械損傷形貌[4-5]。
整個(gè)泄漏部位內表面周?chē)容^光滑,泄漏孔上面連著(zhù)一條未完全撕裂的金屬皮,上面布滿(mǎn)縱向的條帶,其方向與外表面兩頭區域的條帶方向一致。泄漏孔邊緣金屬向內表面翹起。
圖8未磨穿磨痕微觀(guān)形貌
未磨穿磨痕的微觀(guān)形貌如圖8所示,磨痕內部有斷續狀的細微弧形臺階,呈魚(yú)鱗狀,是在磨痕形成過(guò)程中沿著(zhù)磨痕形成方向及與磨痕形成方向垂直的兩個(gè)方向逐漸擠壓堆積而成的痕跡。
1.4能譜分析
對泄漏孔附近內外表面、未磨穿磨痕進(jìn)行能譜分析。泄漏孔內外表面的分析結果如圖9及表2、圖10及表3所示,在泄漏孔外表面的磨痕頭部(譜圖3)有大量氧元素存在,外表面有少量氟、硫腐蝕性元素存在,泄漏孔內表面有少量氟元素。未磨穿磨痕的分析結果如圖11及表4所示,磨痕內部有大量氧元素存在??梢?jiàn)波紋管外表面的氧、氟元素的含量高于其內表面相應元素的含量。
圖9泄漏孔外表面
圖10泄漏孔內表面
圖11未磨穿磨痕處
1.5硬度分析
在波紋管磨痕處截取波峰橫截面試樣、波谷橫截面試樣,在鋼絲網(wǎng)套上隨機截取7根鋼絲。在熱鑲嵌磨拋后進(jìn)行顯微維氏硬度試驗(HV0.05),結果如表5所示,波紋管的硬度比鋼絲的硬度低。

1.6金相組織
 



 
 
圖12波紋管的金相組織200×
波峰橫截面、表面金相組織和波谷橫截面組織如圖12所示,均為典型的奧氏體組織,晶內有攣晶。在金相組織中發(fā)現少量氮化物夾雜。
 
2 分析與討論
該金屬軟管的波紋管壁厚極?。?.3mm),在三維振動(dòng)的環(huán)境下使用了一年發(fā)生泄漏。經(jīng)檢驗后發(fā)現泄漏金屬軟管的波紋管呈彎曲弧形狀,在波紋管的背彎面一側的波峰外表面處發(fā)現泄漏孔,泄漏孔附近的背彎面多處發(fā)現磨痕,其方向均與外表面的網(wǎng)套編織的兩個(gè)垂直的方向一致;鋼絲網(wǎng)套內表面有凸出、翹曲及錯排等不平整現象,且鋼絲內表面局部有一定的磨損,呈扁平狀。
泄漏孔外表面存在被磨蹭的白亮層,兩頭開(kāi)口較大,沿著(zhù)一定的傾角逐漸延伸至內表面,邊緣金屬向內表面翹曲。泄漏孔外表面邊緣處與內表面殘留金屬皮的微觀(guān)形貌一致,為典型的犁痕形貌,屬機械損傷。波紋管的未磨穿磨痕的微觀(guān)形貌呈魚(yú)鱗狀,有細微弧形臺階,是在磨痕形成過(guò)程中沿著(zhù)磨痕形成方向及與磨痕形成方向垂直的兩個(gè)方向逐漸擠壓堆積而成的痕跡。泄漏孔外表面的氧含量遠大于內表面的含量,未磨穿磨痕處的氧含量也較高,可推斷泄漏孔附近區域外表面的氧含量大于內表面的含量。波紋管的硬度低于鋼絲的硬度。
綜上所述,可推斷泄漏金屬軟管在運行過(guò)程中,鋼絲內表面與發(fā)生彎曲的波紋管發(fā)生相互摩擦,在波紋管波峰外表面留下摩擦磨痕,直至磨穿發(fā)生泄漏為止。泄漏金屬軟管的運行條件(三維有效振動(dòng)加速度較低)、波紋管泄漏孔內外表面的微觀(guān)形貌中發(fā)現典型的犁痕形貌、犁溝現象,未磨穿磨痕表面微觀(guān)形貌中發(fā)現的擠壓堆積痕跡,符合微動(dòng)磨損的發(fā)生條件[4,6-8]。
3結語(yǔ)
該金屬軟管泄漏失效是由波紋管與鋼絲網(wǎng)套摩擦導致的機械損傷。為了避免以后這類(lèi)摩擦導致的磨損泄漏事故的再次產(chǎn)生,建議如下。
(1)優(yōu)化金屬軟管的制造工藝,加強對鋼絲網(wǎng)套的外觀(guān)檢驗,避免出現網(wǎng)套表面不平整、斷絲、折疊、凸出、翹曲等現象[1,7-8];
(2)改善金屬軟管的現場(chǎng)安裝條件,應保證順其自然直線(xiàn)安裝,不應任意壓縮彎曲呈“~”形安裝[9-10]。
 
參考文獻:
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[10]郭兆海.石油儲罐進(jìn)出口管段用抗震金屬軟管[J].管道技術(shù)與設備,1998(2):30-32.
收稿日期:2017-11-01修稿日期:2018-01-25
作者簡(jiǎn)介:陳彩霞(1981—),女,高級工程師,主要從事理化檢測和失效分析工作,通信地址:211178江蘇省南京市江寧濱江經(jīng)濟開(kāi)發(fā)區喜燕路18號,E-mail:jenifer0108@163.com。
 

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