高溫環境膨脹節開裂原因分析及修復案例

楊永磊 張 娟

（中國石油集團公司青海油田分公司，青海 格爾木 816000）

0 引言

本文提到的高溫環境膨脹節是指長期輸送介質溫度為550oC以上或外界環境為450oC以上的金屬膨脹節，而且連接短接及其部件材質為16MnR、15CrMo或Cr5Mo，波紋管材質為TP304或TP321不銹鋼的膨脹節。這些材質的膨脹節及其部件由于母材的成分不均勻或存在缺陷、安裝工序不合理、環境溫度的波動、使用操作不當、輸送介質有害元素的滲入或者是焊后熱處理不到位等原因，導致碳化，脆性增加，塑性、韌性降低，在反復膨脹收縮的情況下產生裂紋，影響使用，嚴重時導致報廢。尤其，材質為TP304H不銹鋼的波紋管在450～850oC之間很容易形成脆硬組織，容易產生裂紋；異種鋼接口長期高溫運行，也使級別較低的一側發生蠕變導致開裂，所以不論什么材質的膨脹節在設計安裝時都有保護蒸汽，來防止膨脹節長期超溫影響生產。圖1為膨脹節上的勁板，材質為16MnR由于超溫發生開裂。

1 膨脹節開裂原因分析

高溫環境使用的膨脹節其部件有：波紋管、連接短接、鏈條、蒸汽保護環、固定螺栓、內部套管。波紋管和內部套管材質多為TP304或TP321不銹鋼，連接短接及其部件材質為16MnR、15CrMo或Cr5Mo，當然也有一些材質為20#鍋爐鋼。膨脹節在長期連續運行過程中不論是哪一種材質，那一部件都有開裂的可能，其主要原因有以下幾點：

1.1 本體缺陷

膨脹節及其部件所使用的16MnR、TP304等材質的本體或焊縫在制造過程中存在偏析，也有的留有坑點、夾層甚至微小的裂紋源，這些缺陷在膨脹節反復波動以及輸送介質有害成分的影響下都會不斷擴展導致開裂，當然有些也會導致腐蝕穿孔，不易使用。

1.2 制作、安裝缺陷

膨脹節及其部件都是現場組對焊接的，所以難免有點扭曲變形，安裝時就會強行矯正，使安裝后的膨脹節始終殘留有應力。再者，膨脹節安裝標準要求比較嚴格，要先做預變形，組對時不得采用膨脹節變形的方法來調節錯位，保證組對和運行過程中處于低應的自由狀態；焊接時焊渣不得飛濺到波紋管上，防止出現點狀碳化和坑點，安裝好以后要將膨脹節固定螺栓松開到一定程度，活動鏈條都能自由活動，不得有物體擋害，保證運行過程在一定范圍內自由膨脹收縮。但是，往往施工人員不按標準施工，安裝時隨意調整膨脹節固定螺栓，導致其安裝后處于自由狀態，而運行起來始終處于變形受力狀態，這樣尤其波紋管和波紋管與短接的焊接接頭就會受應力的影響產生裂紋。

1.3 輸送介質的影響

膨脹節一般都用在生產裝置的特殊部位，尤其高溫環境的膨脹節所輸送的介質往往含有大量的S 、P、H2、N2等有害物質，經過長期的連續運行，逐漸滲入金屬內部，對金屬的機械性能有著極大的影響，在介質壓力、溫度以及外界載荷的影響下，收縮膨脹頻繁，導致化學成分已發生變化的母材產生裂紋或加速腐蝕穿孔，特別是波紋管和異種材質接頭非常容易產生裂紋。

1.4 制作、安裝輸送介質運行溫度的影響

波紋管和內部套管材質多為TP304或TP321不銹鋼，連接短接及其部件材質為16MnR、15CrMo、Cr5Mo或20#鍋爐鋼的膨脹節，大部分都用在450～550℃的溫度區間，而TP304和TP321這些奧氏體不銹鋼如果長時間在450～850℃之間運行很容易形成脆硬組織，容易產生裂紋；16MnR、15CrMo、Cr5Mo和20#鍋爐鋼長時間在450～550℃的溫度區間運行也會發生蠕變或逐漸滲碳，在溫度波動以及外界載荷的作用下就會開裂，嚴重時會斷裂。

1.5 使用操作存在問題

對于管道部件而言，膨脹節是最為脆弱的部件，不論制作安裝還是操作使用都容易損壞。使用操作的人員多，技術水平高低不一，換崗時技術交底不到位，導致輸送介質流量不一，溫度不斷變化，急劇冷卻或升溫使金屬晶粒變得粗大，脆性增加而塑性和韌性降低，反反復復的膨脹收縮使其加速開裂。

2 膨脹節裂紋修復

膨脹節長時間在高溫環境運行，波紋管及部件都有可能出現裂紋或穿孔，影響使用，影響生產。為了保證生產，延長膨脹節使用壽命，要對破損的部位進行修復。本文就以蒸汽保護環斷裂孔洞修復和波紋管波峰修復為例，講述的具體過程。

2.1 蒸汽保護環斷裂孔洞修復

一般情況下，高溫環境的膨脹節都設有材質為20#鍋爐鋼蒸汽保護環，并與不銹鋼短節相互連接。在正常情況下保護環始終輸送著蒸汽，短時間內不會出現問題，而時間久了如15年以上時管道堵塞蒸汽流通不暢，就會導致高溫部位（與膨脹節短節連接處）嚴重碳化斷裂，為了保證其連續使用，可以進行修復。具體步驟如下：

（1）先將膨脹節斷裂的部位擴大到150mm左右進行切割，然后用相同材質、相同規格的板材按標準打磨出規則的坡口，再把內外的滲碳層打磨干凈，選用A307焊條，105A的焊接電流進行點固、焊接，以便進一步細化接頭晶粒，降低氧的含量，縮短450～850oC之間的停留時間，降低脆性，提高塑性和韌性；

（2）蒸汽環恢復時，將原來的環形管全部更換，與筒體連接的短節更換為TP304加厚短節，使異種接口遠離高溫區，并且移位安裝，對接部位要與修復的部位錯開300mm以上。所有焊接部位按標準打磨出規則的坡口，再把內外的滲碳層打磨干凈，除了20#鍋爐鋼同種材質焊接以外，其余的都選用A307焊條，105A的焊接電流進行點固、焊接。

2.2 波紋管波峰修復

膨脹節波紋管往往容易在內外波峰峰頂開裂或穿孔，其主要原因是運行時膨脹節沒有完全處于自由狀態，受力不均勻，各個波峰收縮膨脹不一致，時間久了收縮量較大的波峰就會出現疲勞斷裂。穿孔根自由膨脹收縮沒有太大關系，但是絕對離不開化學成分不勻和介質的腐蝕。不論是開裂還是穿孔，都可以進行修復。具體步驟如下：

2.2.1 切割挖除

切割時兩端要離開缺陷端點20mm以上，兩側要位于波峰兩側的平面上，且高度不大于峰高的50%，并清理油、銹等雜質，同時打磨出標準的破口。

2.2.2 材料預制、組對

根據切下來的樣品規格尺寸尋找或制作相同的波峰塊，并將組對部位清理干凈，同時打磨出標準的破口。組對時不留間隙。

2.2.3 焊接

采用全氬，鎳基焊絲，逆變直流焊機正接法，全熔透操作方法進行焊接。 焊接順序：點固焊焊縫位置及焊接順序如圖2所示。焊接順序為：1-2-3-4-5-6-7-8；焊接方向：1，2段為由C，D點向右；3，4段為由C，D點向左；5，6，7，8段為由下向上。

3 質量檢驗

不論是波紋管波峰、孔洞還是其它部位焊接修復，切割前必須對損壞部位進行著色檢測，對缺陷范圍進行確定。15CrMo、Cr5Mo等耐熱鋼焊接修復時，要按標準預熱、消氫以及熱處理。任何焊縫焊后外觀平整美觀，熱影響區及焊縫硬度符合相應標準要求。 波紋管波峰焊后內側要平滑且余高小于0，外側消除余高并拋光處理。 修復的對接焊縫盡量進行射線探傷，探傷結果達到Ⅱ級以上，再進行管道正常壓力的1.25倍的水壓實驗，無泄漏為合格。角焊縫應先做著色檢驗，無缺陷后再進行水壓實驗。

4 結語

從實踐中可以看出，高溫環境長期連續運行金屬膨脹節及其部件開裂原因比較復雜，如果控制裂紋或其他問題的出現，還要從設計、制造、安裝、使用等多方面著手進行。至于修復是為了保證生產應急的一種暫時性的手段，而長期連續運行修復部位有可能還會重復出現問題。所以膨脹節如果出現問題，就要及時備貨找機會更換，以免耽誤生產。