城市天然气管网用波纹管膨胀节开裂分析.pdf

石油与化 工设备 城市天然气管网用波纹管膨胀节开裂分析 董保胜 ，陈志昕 ，陈宏达。 ，赵 勇辉 ，秦 文平 1 ． 中国石油集团石油管工程技术研究院 ， 陕西 西安 7 1 0 0 6 5 2 ． 西安秦华天然气有限公司，陕西 西安 7 1 0 0 7 5 [ 摘要]对两件城市天然气管网用奥氏体不锈钢波纹管膨胀节发生的波峰环向开裂进行了失效分析，经显微硬度、化学成 分、断口金相、扫描电镜和能谱检测及分析表明，波纹管开裂形式为典型的应力腐蚀沿晶开裂，主要原因是波峰处硬度偏高 及c 1 一 和s 2 等有害元素所致。 [ 关键词]波纹管膨胀节；应力腐蚀开裂；失效分析 波纹 管膨 胀 节 是城 市天 然气 输 送 管 网系统 中最常用 的补偿元件 。管道的冷 热变形 、机械变 形、各种振动、大型贵重设备与管道 间的柔性连 接等都离不开波纹管膨胀节。波 纹管膨胀节 因具 有投资少 、见效快等特点 ，而得 到广泛应用 。单 式轴 向U型波纹管膨胀节是常用的一种形式 ，与其 它受压管道元件 如阀 门、弯头 、法兰等相 比，波 纹管膨胀节是管道系统 中的薄弱 环节 。近年来 ， 我 国城市天然气 管网使用 奥氏体 不锈钢波纹管膨 胀节的情况愈来 愈多，用量也愈来 愈大 ，膨胀节 失效事例也愈来愈 多f 1 】 。本文对两件城市天然 气管网用奥 氏体不锈钢波纹 管膨胀节 的开裂进行 了失效分析，给出了失效原因和使用建议 。 l 开裂情况及宏观分析 两件开裂 的波 纹管为GB ／ T 1 2 7 7 7 一 l 9 9 9 金 属波 纹管 膨胀 节通 用 技术 条件 规 定 的单 式轴 向u型波纹管 ，端部为法兰连接 型式 ，设计压力 1 ． 6 MP a ，工 作 压 力 0 ． 2 MP a ，公 称 通 径 8 0 ram，波 数4 ，波纹管壁厚1 ． 0 mm，据用户提供信息，波纹 管材质 为0 C r l 8 Ni 9 或 1 C r l 8 Ni 9 T i 奥 氏体不锈钢钢 板。编号为1 号的波纹管膨胀节2 0 0 6 年 1 0 月启用 ， 2 0 0 7 年冬季在流 向方向第2 波峰处发生环 向开裂 ， 裂 口长 1 9 ． 7 mm，最宽处约0 ． 5 mm，宏观开裂形貌 如图1 所示 。编号为2 号的波纹管膨胀节2 0 0 5 年8 月 启用 ，2 0 0 7 年冬季在流 向方向第2 波峰处发生环 向 开裂 ，裂 口长 1 5 ． 7 mm，最宽处约2 mm，宏观开裂 形貌如 图2 所示。取样后用 肉眼观察两件波纹管外 表面未开裂的波 峰部分，发现波 峰内表面有环 向 开裂，据此初 步推 断裂 纹起始于 内表面 。用户 同 时还送 来一件未启用 的相 同型号 的新波纹管膨胀 节 ，编号 为3 号 ，供 对 比分析 用 。 图 1 1 号波纹管宏观开 裂形貌 图2 2 号波纹管宏观开裂形貌 2金相分析 在 1 号和2 号波 纹管裂 口中间最 宽处取金相试 样进行观察 ，结果表明两件波纹管 断口附近 均有 腐蚀产物及裂纹，裂纹起源于 内表面 ，裂纹 内填 满腐蚀产物 ，裂纹开 口大 ，尖端细小 ，裂纹沿晶 分布 ，2 号波纹管裂纹还发现有分叉 ，金相组织为 奥氏体，晶粒度为9 ． 5 级，如图3 ～6 所示 。 作者简介 ． 董保胜 1 9 7 0 一，男 陕西西安人，高级工程 师，硕士学位 ，主要从事压力容器 、大型储罐和油气输送管道 的安全评 价与 完整性 研 究工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第7 期 董保胜等城市天然气管网用波纹管膨胀节开裂分析 一 7一 图3 1 号波纹管 中的典型裂纹 5 0 0 X l／ 、 I _ - 一▲ 图5 2 号波纹管中的典型裂纹 2 0 0 X [ 矗 立婪曼 卜 3断 口扫描 电镜分析 用扫描 电子显微镜 对 1 号和2 号波峰 开裂面进 行观察，结果显示2 件波纹管开裂面的显微形貌均 为典型的沿 晶形貌 ，如 图7 5 [ 1 图8 所示 。为进 一步 探 究断面特征 ，将 1 号波 纹管裂尖 处含裂 纹但又 未完全开裂 的一小段波峰用手掰开 ，然后用扫描 电子显微镜对 断面进行 观察 ，断面形貌 如 图9 所 氯 ． 嚣 l f ‘ 髓 0 H c r 0 神 m 埘 ， 。 口 瑚D I a - 妇 蜘 啼 I _ y 岫 棚_ 图7 1 号波纹管断口表面沿晶形貌 图4 1 号波纹管金相组织 5 0 0 X 图6 2 号波纹管金相组织 5 0 0 X 示 。图9 中上半部分为掰 断断面，下半部分为原始 断面 ，可见掰断 断面形貌 为韧性 断面 ，与原始 开 裂断面形貌 明显不 同。对 1 号和2 号原始 开裂 断面 进行能谱分析，结果表明1 号波纹管开裂面上主 要成分为F e 、O、C r 、Ni 及少量 有害元素S S H C 1 ， 如图1 O 所示；2 号波纹管开裂面上主要成分为F e 、 0、C r 、Mn 、Ni 及少量有害元素S ，如 图1 l 所示 。 ， D t 8 E o 帅0 m， ” 0 卵 ， 姑o 硼e r 雌c 0 p ■ n 一 图8 2 号波 纹管断口表面沿晶形貌 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 一 1 8 一 ■ 技术交流 石 油 与 化 工 设备 2 0 1 0 年 第 1 3 卷 Dt aoor ， ～ ” l l g i n g O 甜 s E Oa E 呻州蝴’ D 4 廊舳 8 唧 脯啪 c o 州 一 图9 1 7 一波纹管掰断 断面和原始断面 E1e me nt W ei gh t％ At o mi c ％ 0 K 9 ．2 3 2 5． 48 Si K 1 ．5 8 2． 48 S K 0． 99 ‘1 ．3 6 Cl K O． 93 1 ．1 6 K K 0．7 6 O ．8 6 C r K 5 ． 5 4 4 ． 7 O Fe K 78 ．6 2 62 ．1 8 Ni K 2．3 6 1 ．7 8 T o t a l s 1 0 0 ． O 0 图1 0 1 号波纹管开裂 面能谱分析结果 E 1 e m e n t W e i g h t ％ A t o m i c ％ 0 K 1 O． 07 2 7． 01 A1 K 1 ．1 O 1 ．7 5 Si K 1 ． 6 9 2． 5 9 S K L 02 1 ． 3 7 K K 1 ． 42 1 ． 5 6 C r K 1 4 ． 6 2 1 2 ． 0 6 M n K 1 ． 8 0 1 ． 4 O F e K 6 3 ． 4 0 4 8 ． 7 0 Ni K 4． 8 6 3． 5 5 T o t a l S i 0 0 ． 0 0 图1 1 2 号波纹管开裂面能谱分析结果 4显微硬度分析 对 I 号、2 号和3 号波纹管 内外表面分别进行了0 ． 2 Kg f 荷的显微维 氏硬度分析，结果如表1 所示。表中 的检测位置上 、中、下分别表示波峰处、波峰和波谷之间、波谷处。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第7 期 董保胜等城市天然气管网用波纹管膨胀节开裂分析 一 9一 表1 显微硬度检测结果 显微硬度 H V 0 ． 2 试样编 号 检 测位 置 l 2 3 4 5 平均值 外 上 4 3 8 4 3 5 4 3 6 4 4 4 4 4 0 4 3 9 表 由 4 0 2 4 0 4 4 0 5 4 1 3 4 1 2 4 0 7 1 号 面 下 3 9 0 3 8 4 3 9 0 3 9 l 3 8 0 3 8 7 内 上 4 7 3 4 7 0 4 7 2 4 6 9 4 6 4 4 7 0 表 中 4 2 3 4 1 9 4 3 4 4 2 1 4 1 5 4 2 2 面 下 3 6 1 3 6 7 3 7 6 3 6 6 3 8 0 3 7 0 外 上 4 5 9 4 5 4 4 3 2 4 4 9 4 4 8 4 4 8 表 中 3 9 9 3 9 4 3 9 0 3 8 9 3 8 7 3 9 2 面 下 3 7 5 3 1 5 3 8 6 3 8 1 3 5 8 3 6 3 2 号 内 上 4 7 0 4 5 9 4 5 0 4 5 5 4 7 0 4 6 1 表 由 4 1 5 4 2 6 4 2 3 4 3 4 4 2 0 4 2 4 面 下 3 4 6 3 2 7 3 2 8 3 4 8 3 5 9 3 4 2 外 上 3 0 2 3 l 0 3 l 8 3 2 2 3 2 6 4 4 8 表 中 2 8 0 3 0 2 2 9 0 2 8 5 2 9 7 3 8 7 面 下 1 9 2 1 9 4 2 0 1 2 l 1 1 9 4 3 5 8 3 9 内 上 3 1 2 3 2 9 3 1 2 3 1 0 3 O 1 3 1 3 表 中 2 5 0 2 5 2 2 4 7 2 5 5 2 5 2 2 5 1 面 下 2 4 0 2 3 8 2 2 4 1 9 7 1 9 2 2 1 8 5化学成分分析 对 1 号、2 号和3 号波纹 管试 样分 别用LE CO CS 一 4 4 4 b 碳硫分析仪S H I RI S I n t r e p i d I C P 光谱仪 进 行 了化学 成分 分析 ，结果如 表2 所示 。 表 2 化学成分分析结果 w t 1 0 。 ＼ 编号 0 C r l 8 N i 9 1 C r l 8 N i 9 T i 元素 ＼ 1 号 2 9 3 9 G B 3 2 8 0 - 9 2 G B 3 2 8 0 - 9 2 C O ． 0 5 1 0 ． 0 5 9 O ． 1 0 ≤O ． O 7 ≤ O ． 1 2 Si O ． 5 5 0 ． 5 2 O ． 5 7 ≤ 1 ． 0 0 ≤ 1 ． O O M n 0 ． 8 1 1 ． 3 8 1 ． 2 2 ≤ 2 ． 0 0 ≤ 2 ． 0 0 P 0 ． 0 3 0 0 ． 0 2 2 0 ． 0 2 7 ≤ 0 ． 0 3 5 ≤ 0 ． 0 3 5 S 0 ． 0 0 4 6 O ． O O l l 0 ． 0 0 2 1 ≤ 0 ． 0 3 0 ≤ O ． 0 3 0 C r l 7．5 3 1 7． 62 1 6． 97 1 7 ．00 ～ 1 9．0 0 1 7． O O～ 1 9． O O M o I } 0 ． 0 8 7 Ni 8 ． 0 5 8 ． 4 5 7 ． 5 9 8 ． 0 O ～ l 1 ． 0 0 8 ． O 0 ～ 1 1 ． O 0 5 C ％ 一 0 ． 0 2 T i j O ．O1 7 ～ O ． 8 0 C u f 2 。 O 8 注G B 3 2 8 0 ～ 9 2 不锈钢冷轧钢板 6结果分析及讨论 6 ． 1 理化性能分析 1 号和2 号波纹管样 品化学成分检测 结果均符 合GB 3 2 8 0 9 2 对0 C r l 8 Ni 9 和 0 C r l 8 Ni 9 T i 的规 定 。用 户所给材料 中仅说明波纹 管材料 可能是0 C r l 8 Ni 9 或0 C r l 8 Ni 9 T i ，从化学成分检测结果中的c含量来 看 ，1 号和2 号波纹管材质接近0 C r l 8 Ni 9 材质。 从显微硬度检测 结果看 ，1 号和2 号波纹管试 样 的硬度 明显大 于3 号波纹 管试样 对应位 置的硬 度 。同一波 纹管中，波峰处硬度值最高 ，波谷处 硬度值最低 ，波 峰和波谷之间硬度值居 中，同一 部位的内表面硬度和外表面硬度区别不大。 6 ． 2开裂原因分析及讨论 l 号和2 号波纹管化学成分分析及 1 号波纹管掰 断断面扫描 电镜分析结果表 明，波纹 管母材化学 成分和金相组织没有异常。 l 号和2 号波 纹管裂 口宏观形貌分析表 明，裂 口及其 附近均 没有 明显的宏观塑性变形痕迹 ，呈 现脆 性断裂状态 ，说明开裂 并非是 由其强度 不足 造 成 的。扫 描 电镜和 金相 分析结 果表 明，1 号和 2 号波 纹管 断面均 为典型 的应 力腐蚀 沿 晶开裂 形 貌 ，裂纹起始于 内表 面，说 明输送介质 中或波纹 管 内壁粘 附有引起应力腐蚀开裂 的有害物质 。 综合 以上各项试验和 分析结果 ，引起 1 号 H 2 号波纹管应力腐蚀开裂的主要原因如下 1 波纹管加工成形过程 中，波峰冷变形最 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m