(2.46)--金属构件失效分析.ppt

供供热管道不管道不锈钢波波纹管膨管膨胀节失效分析失效分析失效案例分析失效案例分析Company LogoContents失效波纹管的基本情况1失效波纹管开裂分析2腐蚀产物和介质分析3失效波纹管失效原因分析455结论与建议Company Logo引言引言金属波纹管膨胀节作为现代热补偿技术已广泛应用于国民经济的各个部门，管道的热变形、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膨胀节。波纹膨胀节的设计制造，具有投资小、见效快等特点，使其得到广泛应用，U 形波纹管膨胀节是其中最为常用的一种形式。随着波纹管膨胀节在供热管网中的大量应用和适用范围不断增加、扩展，膨胀节腐蚀失效的现象也随之增加。对已经发生失效的波纹管进行深人分析研究，确定波纹管失效的原因，对于保障热力管道的安全运行是有重大现实意义的。Company Logo1、失效波失效波纹管的基本情况管的基本情况在一主供热管道发现有两个部位的波纹管出现泄漏。该管道于1989 年安装，已经投入运行13 年，采用外压式波纹管膨胀节，材质为1Cr18Ni9Ti。波纹管主要参数:设计压力1.6MPa,设计温度150C，额定位移量350mm,轴向刚度390N/mm,许用疲劳次数1000 次，波根直径1272mm，波高64mm,波距82mm,波数5+5+5,层数5，单层厚度1.0mm，波纹管结构示意图见图1-1.Company Logo1、失效波失效波纹管的基本情况管的基本情况供热管线常年供热，最高水温约120，日平均供水水温约90，供水压力约0.8MPa。每年停水检修一次，检修时间7 15 天。运行参数远低于设计许用值，完全正常。在波纹管不同部位取样，其化学成分分析结果见表1-2，符合GB规定要求。图1-1 外压式波纹管膨胀节结构示意图Company Logo1、失效波失效波纹管的基本情况管的基本情况编号号CSiMnPSCrNiTi1-1-10.050.571.540.0220.00518.228.57无1-2-10.050.441.290.0270.00618.148.57无2-1-10.080.711.370.0200.01017.918.550.492-2-10.050.571.390.0230.01317.548.240.602-3-10.100.711.160.0220.01017.038.600.662-3-20.060.561.350.0240.01217.318.350.542-3-20.110.721.180.0230.00917.268.640.633-1-10.090.891.590.0200.00917.858.780.553-2-10.080.881.420.0230.00517.878.300.423-3-10.080.561.450.0230.00917.368.000.52表1-2 各段波纹管不锈钢的成分分析（质量分数，%）Company Logo1、失效波失效波纹管的基本情况管的基本情况整个被纹件膨胀节安装在管线设置的地下小室内，管线距地面高度约600m800mm。供热管道运行介质为除钢水，波纹管外表面与运行水接触，内表面暴露在小室大气环境。设计要求小室内干燥，但在较大的雨季或雪天，难以避免小室内有路面污水流人，并导致波纹管部分浸泡在污水中。发生泄漏的波纹管外观和表面点蚀形态如图1-3 所示，三个波纹管打开后在波纹管外层表面均发现有点状腐蚀斑点和腐蚀坑，腐蚀坑周边有黄色锈蚀斑。图1-3 发生泄漏的波纹管外观和外表面的点蚀坑Company Logo2、失效波失效波纹管开裂分析管开裂分析将泄漏的波纹管从管线上取出，按层分割开。从分隔开的波纹管每一段每一层可以看出，接触大气的波纹管内表面都有不同程度的腐蚀，大部分表面已丧失金属本色，有大量的腐蚀坑和裂纹，靠近出口端环的一组波纹管腐蚀最严重。腐蚀严重的波纹管管段从内层向外已有3 层完全腐蚀透，这些部位的波纹形似”树皮”，腐蚀形态和裂纹如图2-1所示。图2-1 表面腐蚀形态Company Logo2、失效波、失效波纹管开裂分析管开裂分析局部位置清除腐蚀产物后，可见裂纹形貌曲折分岔;部分主裂纹旁丛生许多网状裂纹，如2-2 所示。两层波纹管间有棕黑色腐蚀产物和白色沉积物，内层内表面附着一层棕黄色水锈，波间局部位置有泥土及污水。图2-2 裂纹形态和分叉走向Company Logo2、失效波、失效波纹管开裂分析管开裂分析失效波纹管裂纹断口面形态如图2-3 所示，在断口表面可以观察到起裂表面的台阶形貌，这是多裂纹起源的形态特征，断口表面微观形态主要为解理断裂，在断口上可观察到明显的解理台阶、涟波和河流花样(见图2-4)，也可以观察到解理和微坑混合的准解理形态特征(见图2-5)。图2-3 裂纹断口表面形态图2-4 断裂的解理断口形貌图2-5 断口表面的准解理特征Company Logo2、失效波、失效波纹管开裂分析管开裂分析抛光试样经王水腐蚀后，在显微镜下观察，发现裂纹发展均为穿晶型(见图2-6)，未发现晶间腐蚀迹象。从裂纹的微观走向和典型的分叉形态，裂纹的形成和扩展具有不锈钢应力腐蚀裂纹的一般特征。图2-6 部分裂纹的微观走向Company Logo2、失效波、失效波纹管开裂分析管开裂分析裂纹断口除具有解理断裂特征外，还可以观察到腐蚀疲劳条带特征，如图2-7 所示，由于表面腐蚀产物的影响，这些疲劳条带变得模糊不清。而且在分析观察的所有试样中，类似疲劳的断裂并非简单的从波纹管表面形成，而是直接与表面已形成的蚀坑或应力腐蚀裂纹有关。绝大多数的裂纹是从表面的蚀坑处起裂的，其相关形态如图2-8所示，而且在一个穿透形的断口表面，往往可以观察到应力腐蚀与腐蚀疲劳的混合断裂过程。图2-7 断口表面的疲劳条带特征图2-8 裂纹从蚀坑底部起裂Company Logo3、腐腐蚀产物和介物和介质分析分析在波纹管内层表面取腐蚀产物、管内的沉积物、出口管表在波纹管内层表面取腐蚀产物、管内的沉积物、出口管表面内的附着物，用面内的附着物，用X X 射线荧光分析、射线荧光分析、X X射线能谱分析和射线能谱分析和X X射线射线衍射分析，腐蚀物中主要元素为衍射分析，腐蚀物中主要元素为O O、FeFe、CrCr、NiNi、TiTi、ZnZn、CaCa、SiSi、MgMg、AlAl等，所有腐蚀产物中均含有害元素等，所有腐蚀产物中均含有害元素ClCl、S S，沉积物，沉积物中主要含有中主要含有FeFe、CaCa、ZnZn、SiSi、AlAl、NaNa、MgMg、CrCr、MnMn、NiNi、S S、C Cl l、T Ti i等元素，波纹管上沉积物主体为等元素，波纹管上沉积物主体为CaCOCaCO3 3,和和-FeOFeO.(OH)(OH)、-FeO-FeO.(OH)(OH)、-SiO-SiO2 2、-FeFe2 2O O3,3,出口管上腐蚀物主体为出口管上腐蚀物主体为FeFe3 3O O4 4、-FeFe2 2O O3 3和少量和少量-FeOFeO.(OH(OH）。）。Company Logo3、腐腐蚀产物和介物和介质分析分析典型的腐蚀产物的X 射线衍射图如图3-1 所示。取波纹管内沉积的泥土、残留水样，采用硝酸银滴定法、硫酸钡比浊法等对沉积物和残留水样中的氯离子、硫酸根离子、碳硝酸根离子、pH 值分别进行定量测试，结果显示在这些残留物和介质中有较高含量的Cl-、SO42-以及CO32-。其最高含量分别为:6826mg/kg、78487mg/kg和5585mg/kg,pH值为8.59.5。Company Logo3、腐腐蚀产物和介物和介质分析分析图3-1 腐蚀产物X射线衍射定性分析图谱 a)波纹管表面腐蚀产物 b)出口管附近腐蚀产物Company Logo4、失效波失效波纹管失效原因分析管失效原因分析通过对失效波纹管的宏观分析，可以确定波纹管的失效原因是不同类型的腐蚀所致。腐蚀首先从波纹管最内层开始，由内向外发展。所以内三层波纹管腐蚀最重，第4层次之，第5层最轻。在波纹管内介质干湿交替的部位腐蚀最严重，不仅靠近出口端环的波纹管部位已腐蚀成“树皮”状，而且中间组波纹管、靠近进口端环的一组波纹管相对应的部位同样腐蚀较重。Company Logo4、失效波、失效波纹管失效原因分析管失效原因分析可以认为破损波纹管腐蚀过程如下:波纹管内层介质干湿交替的部位发生点蚀，部分点蚀引发应力腐蚀裂纹以及腐蚀疲劳，裂纹不断发展穿透波纹管最内层;腐蚀性溶液从穿透的裂纹处进人1层与2层间隙中，继而发生腐蚀，腐蚀从2层内表面向外发展，也有从1层外表面向内发展;2 层波纹管穿透后，腐蚀介质进人2层和3 层波纹管缝隙，如此这般直至波纹管穿透第5 层波纹管，波纹管发生破裂。Company Logo4、失效波、失效波纹管失效原因分析管失效原因分析1Cr18Ni9Ti 不锈钢在腐蚀性介质中易于发生局部腐蚀，其主要腐蚀形式为点蚀、应力腐蚀、晶间腐蚀、缝隙腐蚀和腐蚀疲劳开裂。波纹管出口端环处波纹管与主管之间有一45mm的间隙，当安装波纹管膨胀节的小室内有积水时，这些含有氯离子的污水、泥土或工业废水即可通过这一间隙流进波纹管，从而导致波纹管内表面与这些腐蚀性介质直接技触。由于工业推放、冬季除冰等原因，地面上的水中氯化物、硫化物的含量越来越高，这就为不锈钢波纹管的局部腐蚀提供了合适的条件。由于放纹管介质温度较高，使得波纹管内表面的水分蒸发，含有游离氧的腐蚀介质在波纹管内表面会浓缩，加速了腐蚀发生的速率。Company Logo4、失效波、失效波纹管失效原因分析管失效原因分析波纹管加工过程中的残余应力和管道运行中的介质压力，为波纹管发生应力腐蚀开裂提供了必须的拉应力条件。波纹管在运行中承受冷热收缩-膨胀变形以及热管中水和水蒸气的热冲击，因此，具备了发生疲劳开裂的力学条件。由于腐蚀介质的存在，因此，发生了腐蚀疲劳开裂。点蚀坑、应力腐蚀、腐蚀疲劳的共同作用，使得波纹管裂开。因此，在分析、设计和选材时，对于这一类波纹管应系优考察各种因素的影响，避免导致消除了一种影响而加重了另一种影响。Company Logo5、结论与建与建议分析的三段破损波纹管的失效形式为点蚀、应力腐蚀、腐蚀疲劳开餐，在三种局部腐蚀的共同作用下，波纹管开裂，导致波纹管的泄漏。黄蚀首先从波纹管最内层开始，逐步向外扩展，直至5 层波纹管全部腐蚀。导致不锈钢波纹管腐蚀的介质因素主要是与管内壁接触的Cl-、SO42-。这些腐蚀性成分主要来自于从地表流人安放波纹管膨胀节的小室污水。由于波纹管输送热水温度较高，导致这些成分的局部浓缩，加速了腐蚀。波纹管用1C18N9T 材料，金相组织存在不均匀和带状的铁素体，波纹管加工过程中形成较大的加工硬化，以及应力腐蚀、房蚀疲劳对波纹管失效的作用，这些因素对波纹管腐蚀的影响还应作进一步的研究。