金屬軟管泄漏原因分析與預(yù)防
陳彩霞，王步美，陳楊
江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院
摘要：某核電設(shè)備上使用的金屬軟管在1年內(nèi)發(fā)生泄漏。采用掃描電鏡、光學(xué)顯微鏡、顯微硬度計(jì)等儀器對(duì)泄漏的金屬軟管進(jìn)行了宏觀和微觀檢驗(yàn)、硬度檢測(cè)及化學(xué)成分分析。結(jié)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(jī)械損傷導(dǎo)致的。同時(shí)，提出了相應(yīng)的預(yù)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(tǒng)中使用的金屬軟管在1年內(nèi)發(fā)生了泄漏，圖1為使用單位采用氣密性試驗(yàn)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形貌。該金屬軟管在使用現(xiàn)場(chǎng)豎直方向S形彎曲安裝，兩頭法蘭連接，通徑DN80ｍｍ，長(zhǎng)度750ｍｍ，現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)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(shù)為64ｍｍ×14ｍｍ×0.4ｍｍ，材料為06Cr19Ni10，冷拉狀態(tài)，材料標(biāo)準(zhǔn)為GB/T4240—2009《不銹鋼絲》［3］。
文中采用化學(xué)分析、硬度分析、宏觀及微觀檢驗(yàn)等方法，對(duì)該金屬軟管的泄漏失效原因進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的預(yù)防措施。
圖1泄漏金屬軟管宏觀形貌
1理化檢驗(yàn)
1.1宏觀檢驗(yàn)
1.1.1泄漏金屬軟管宏觀形貌
圖1示出泄漏金屬軟管及泄漏孔部位的宏觀形貌，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(duì)鋼絲網(wǎng)套內(nèi)表面及波紋管進(jìn)行宏觀形貌觀察。
鋼絲網(wǎng)套內(nèi)表面的宏觀形貌如圖2所示?？梢钥闯觯摻z表面有銹跡，局部不平整，沿著鋼絲的兩個(gè)編織方向有鋼絲凸出、翹曲現(xiàn)象。泄漏孔附近的鋼絲網(wǎng)套內(nèi)部的鋼絲翹曲、凸出的程度更大，有的鋼絲還發(fā)生錯(cuò)位折疊現(xiàn)象。將鋼絲網(wǎng)套展開(kāi)，在其內(nèi)表面發(fā)現(xiàn)多處銹蝕部位存在磨痕。
波紋管的宏觀形貌如圖3所示?？梢钥闯?，金屬軟管整個(gè)波紋管段沿著軸向呈彎曲弧形狀，泄漏孔位于波紋管背彎面一側(cè)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(nèi)表面宏觀形貌
1.1.2波紋管泄漏孔、未磨穿磨痕、鋼絲網(wǎng)套內(nèi)表面磨痕宏觀形貌
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(duì)其進(jìn)行宏觀檢驗(yàn)。
泄漏孔的宏觀形貌如圖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，沿著一定的傾角逐漸延伸至內(nèi)表面；泄漏孔內(nèi)表面周?chē)鷧^(qū)域光滑，在泄漏孔邊緣連著一條未完全脫離的金屬皮。
圖3波紋管的宏觀形貌
圖4泄漏孔的宏觀形貌
未磨穿磨痕的宏觀形貌如圖５所示?？梢钥闯?，磨痕位于波紋管波峰外表面，沿著與波紋管軸向成45°方向上呈凹坑狀，凹坑內(nèi)部有與磨痕形成方向垂直的細(xì)微痕跡。
圖５未磨穿磨痕的宏觀形貌50×
在圖2（ｃ）所示的鋼絲內(nèi)表面磨痕處取樣，采用體式顯微鏡對(duì)其進(jìn)行宏觀形貌觀察，從圖６中可以發(fā)現(xiàn)鋼絲內(nèi)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(nèi)表面磨痕宏觀形貌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(duì)波紋管、鋼絲進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。
對(duì)照波紋管原材料標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)；對(duì)照鋼絲原材料標(biāo)準(zhǔn)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、未磨穿磨痕微觀形貌
采用掃描電鏡對(duì)圖4所示的泄漏孔內(nèi)外表面、圖５所示的未磨穿磨痕進(jìn)行微觀形貌觀察。
泄漏孔的內(nèi)外表面的微觀形貌如圖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一個(gè)方向傾斜的條帶，條帶細(xì)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(jī)械損傷形貌［4-５］。
整個(gè)泄漏部位內(nèi)表面周?chē)容^光滑，泄漏孔上面連著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(qū)域的條帶方向一致。泄漏孔邊緣金屬向內(nèi)表面翹起。
圖8未磨穿磨痕微觀形貌
未磨穿磨痕的微觀形貌如圖8所示，磨痕內(nèi)部有斷續(xù)狀的細(xì)微弧形臺(tái)階，呈魚(yú)鱗狀，是在磨痕形成過(guò)程中沿著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(duì)泄漏孔附近內(nèi)外表面、未磨穿磨痕進(jìn)行能譜分析。泄漏孔內(nèi)外表面的分析結(jié)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(nèi)表面有少量氟元素。未磨穿磨痕的分析結(jié)果如圖11及表4所示，磨痕內(nèi)部有大量氧元素存在。可見(jiàn)波紋管外表面的氧、氟元素的含量高于其內(nèi)表面相應(yīng)元素的含量。
圖９泄漏孔外表面
圖10泄漏孔內(nèi)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(jī)截取7根鋼絲。在熱鑲嵌磨拋后進(jìn)行顯微維氏硬度試驗(yàn)（HＶ0.05），結(jié)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(nèi)有攣晶。在金相組織中發(fā)現(xiàn)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薄（0.3ｍｍ），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(yàn)后發(fā)現(xiàn)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(cè)的波峰外表面處發(fā)現(xiàn)泄漏孔，泄漏孔附近的背彎面多處發(fā)現(xiàn)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(nèi)表面有凸出、翹曲及錯(cuò)排等不平整現(xiàn)象，且鋼絲內(nèi)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，沿著一定的傾角逐漸延伸至內(nèi)表面，邊緣金屬向內(nèi)表面翹曲。泄漏孔外表面邊緣處與內(nèi)表面殘留金屬皮的微觀形貌一致，為典型的犁痕形貌，屬機(jī)械損傷。波紋管的未磨穿磨痕的微觀形貌呈魚(yú)鱗狀，有細(xì)微弧形臺(tái)階，是在磨痕形成過(guò)程中沿著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(yuǎn)大于內(nèi)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(qū)域外表面的氧含量大于內(nèi)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(yùn)行過(guò)程中，鋼絲內(nèi)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(yùn)行條件（三維有效振動(dòng)加速度較低）、波紋管泄漏孔內(nèi)外表面的微觀形貌中發(fā)現(xiàn)典型的犁痕形貌、犁溝現(xiàn)象，未磨穿磨痕表面微觀形貌中發(fā)現(xiàn)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(jié)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(dǎo)致的機(jī)械損傷。為了避免以后這類(lèi)摩擦導(dǎo)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(qiáng)對(duì)鋼絲網(wǎng)套的外觀檢驗(yàn)，避免出現(xiàn)網(wǎng)套表面不平整、斷絲、折疊、凸出、翹曲等現(xiàn)象［1，7-8］；
（2）改善金屬軟管的現(xiàn)場(chǎng)安裝條件，應(yīng)保證順其自然直線(xiàn)安裝，不應(yīng)任意壓縮彎曲呈“～”形安裝［９-10］。
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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(jí)工程師，主要從事理化檢測(cè)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(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)喜燕路18號(hào)，E-ｍail：ｊｅｎifｅr0108＠1６3.ｃｏｍ。
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