SZorb裝置管道波紋管膨脹節爆裂原因分析

中圖分類號 ΓQ055.8⁺3 文獻標志碼 B 文章編號 0254-6094（2025）03-0526-07

某煉化公司SZorb裝置管道波紋管膨脹節采用4層厚度為 0.5mm 的波紋管（材質Inconel625）壓合后制造，以確保膨脹節的強度。該膨脹節設計壓力 4.26MPa ，工作壓力約 4.1MPa ，設計溫度 470‰ ，工作溫度 400^°C ，介質為吸附劑（含硫） + 氫氣 + 油氣。物料間隔 25min 通過一次，每次過料時間約為100s 。過料時和不過料時膨脹節外壁溫差約為100^°C 。

該膨脹節于2019年10月投入運行，2022年11月裝置大檢修期間對其進行了外觀和著色滲透檢查，未發現異常。2023年4月，該膨脹節最外層波紋管發生突然爆裂，爆開的波紋管撞擊在膨脹節外護罩上，外護罩變形、崩落。該膨脹節在外層發生爆裂后繼續使用了12天才進行更換，在此期間膨脹節運行正常。

筆者對拆下的膨脹節采用宏觀檢查、無損檢測、金相分析等方法檢測分析，以找出膨脹節外層波紋管爆裂的原因。

1失效膨脹節分析

為分析膨脹節外層波紋管爆裂原因，將失效膨脹節標記為A，崩裂的最外層波紋管標記為A1（圖1），進行分析。

1.1 宏觀檢查

1.1.1 外部宏觀檢查

通過宏觀觀察爆裂的波紋管，發現最外層部分幾乎被展平，且因其爆開時飛出，已經發生了嚴重的變形，內、外壁均有一定的銹蝕，內壁上可見1條縱焊縫（圖2）。外層波紋管的斷口均為強度破壞形成的撕裂斷口，如圖2a所示。膨脹節外層脫離后暴露出來的第2層波紋管外壁可見黑色附著物，外壁可見1條縱焊縫，整個波紋管外形保持完整，外層波紋管爆裂時分別沿上、下兩端和法蘭焊接的位置開裂，斷口也均為撕裂斷口，如圖2b所示。

根據以上情況初步推斷：在最外層波紋管爆裂之前，波紋管外壁承受了較大的內壓，使其發生變形，波紋管因鼓脹變形而逐漸被展平。隨著壓力的增加，外層波紋管強度無法承受內壓時，便發生了爆裂。波紋管剩余部分外壁形貌如圖3所示。

1.1.2 內部宏觀檢查

將膨脹節兩側法蘭切割開，再將波紋管部分沿軸向剖開，可見波紋管內層完好，沒有發現裂紋或其他明顯缺陷，內壁可見1條縱焊縫。4層波紋管與上下法蘭分別焊接，觀察波紋管的截面，剩余的3層波紋管相互之間均有不同程度的分離，最內層波紋管的內壁有不同程度的鼓脹變形，如圖4所示。

根據波紋管的剩余3層之間均有不同程度分離的情況，初步推斷在各層之間應存在一定的內壓差，導致了各層的分離，存在內部介質穿過最內層波紋管進人后續各層之間而發生分離的可能性。

1.2 無損檢測

1.2.1 射線檢測

對波紋管并與上下兩端法蘭焊接的部位進行了X射線檢測，未發現明顯的裂紋或焊接缺陷（圖5）。

1.2.2 金相分析

在體式顯微鏡下觀察波紋管整個最內層，在內壁縱焊縫的波峰（外徑最大）處發現了裂紋，如圖6中箭頭所指位置，裂紋與縱焊縫相垂直，穿過整個焊縫并擴展到母材上。將裂紋放大觀察，可以看到裂紋呈斷續擴展，部分焊縫上有兩條不連續的裂紋，裂紋周圍也沒有發現其他明顯宏觀缺陷。

切取裂紋位置制備成金相樣品，在金相顯微鏡下進行觀察，可看到裂紋己穿透內層波紋管的整體厚度（圖7）。將裂紋放大觀察，可見裂紋擴展分為兩個階段，第1階段為紅色標識部分，裂紋由內壁開始向外壁擴展，當裂紋擴展到一定長度后，剩余壁厚無法承受內壓，于是發生失穩斷裂，導致裂紋進人第2階段；第2階段為藍色標識部分，裂紋失穩斷裂擴展以強度破壞的形式斷裂，裂紋呈剪切斷裂，在波紋管外壁產生了一定頸縮變形。

金相分析內層裂紋處的焊縫組織為奧氏體枝晶組織，裂紋擴展主要為穿晶形式；晶內有碳氮化物、晶界上有碳化物析出。第2層波紋管波峰位置的金相組織與內層基體組織基本一致（圖8）。

對最外層爆破后余下的波紋管切取金相樣品，其金相組織如圖9所示，可見外層的斷裂形式為剪切的強度破壞，第2層金相組織沒有明顯差異，均為奧氏體上分布碳氮化物析出相的組織在爆裂的最外層A1上切取制備金相樣品，在外層內壁處可見多條微小裂紋無規律分布，裂紋深度不超出一個晶粒，長度范圍在 30～40μm ，且裂紋寬度較大，如圖10所示。從形態上可以判斷出該裂紋在爆裂前已存在，因內壓逐步增大而使裂紋張開。

圖9 金相組織

1.2.3 裂紋SEM觀察

將焊縫處的裂紋采用機械方式打開，觀察裂紋斷口的特征及開裂形式。原始裂紋的斷口較為平整，表面呈暗黑色，上面覆蓋有腐蝕產物，人工打開的斷口表面光亮，呈金屬光澤，如圖11所示。

如圖12所示為掃描電鏡下斷口形貌，在掃描電鏡下觀察斷口，原始裂紋的斷口上由內壁到外壁可分為兩個區域，區域I的范圍較大，斷口表面覆蓋有腐蝕產物，無法分辨斷口特征，區域Ⅱ的斷口表面可見裂紋擴展時產生的宏觀撕裂棱（圖12a）。在高倍下觀察在兩個區域的交界處、未被腐蝕產物覆蓋的位置可見疲勞輝紋（圖12b）。

1.2.4 硬度測試

對失效膨脹節裂紋位置波峰處3層波紋管和端部保留最外層位置取樣，進行顯微維氏硬度（HV0.5）測量，在開裂位置的波峰處，內層裂紋兩側硬度值相對較高，其他兩層較為接近；在端部取樣的4層波紋管，最外層硬度值較高，接近開裂位置的硬度，其他3層的硬度值較低，測量位置及測量值如圖13所示。

1.2.5 化學成分

采用直讀光譜儀對失效膨脹節的4層波紋管分別進行了材料成分分析，結果符合Inconel625成分要求。

2 結果分析

根據檢查結果判斷：失效膨脹節的波紋管外層爆裂形式主要為強度破壞。原因為波紋管在溫度、壓力變化引起的交變應力作用下，生成應力腐蝕裂紋，長時間后疲勞擴展，發生泄漏。介質泄漏到各層波紋管之間，各層波紋管在內壓作用下發生了分離，最外層在內壓作用下發生鼓脹變形，最終無法承受內壓發生爆裂。

根據該失效膨脹節的運行工況，分析發生應力腐蝕的原因主要為：

a.該膨脹節在工作時因溫度、壓力變化而產生周期性交變應力，波紋管的波峰處是受力最大的位置，且其硬度較其他位置要高，易產生應力腐蝕開裂。內層波紋管在內壁發生應力腐蝕后，產生微小裂紋，裂紋持續受到交變應力，疲勞擴展發生泄漏。

b.該膨脹節所處位置為一段傾斜的直管中部，該直管沒有其他支撐結構，使得失效膨脹節承受較大的應力，增加了開裂的風險。

c.該膨脹節在外層爆裂后仍堅持使用十幾天的時間，說明該膨脹節在內層泄漏后，中間兩層波紋管的泄漏點很小或裂紋處于閉合狀態，泄漏量較小，短時間內能夠堅持使用。

3 結論和建議

某石化公司SZorb裝置管道波紋管膨脹節操作溫度、操作壓力高，介質為易燃易爆的氫氣、油氣，一旦發生泄漏，極易發生著火、爆炸等安全事故。經分析可知，膨脹節是在內部介質作用下產生應力腐蝕開裂，后在交變應力作用下裂紋疲勞擴展，最終在承壓能力不足時爆裂。為避免事故發生，針對上述分析，可采取以下措施：

a.在膨脹節設計時充分考慮壓力、溫度、介質特性及安裝環境等因素，確定合理的設計裕量，適當增加波紋管的層數和厚度，確保膨脹節本質安全；b.對該管段上直管部分增加相應的結構支撐，減小膨脹節波紋管的承載力；C.對膨脹節外部進行保溫，減小溫差應力；d.對膨脹節波紋管進行定期檢查，發現外層有鼓脹時及時更換，避免爆管發生。

（收稿日期：2024-09-23，修回日期：2025-05-03）