高温环境膨胀节开裂原因分析及修复案例

杨永磊 张 娟

（中国石油集团公司青海油田分公司，青海 格尔木 816000）

0 引言

本文提到的高温环境膨胀节是指长期输送介质温度为550oC以上或外界环境为450oC以上的金属膨胀节，而且连接短接及其部件材质为16MnR、15CrMo或Cr5Mo，波纹管材质为TP304或TP321不锈钢的膨胀节。这些材质的膨胀节及其部件由于母材的成分不均匀或存在缺陷、安装工序不合理、环境温度的波动、使用操作不当、输送介质有害元素的渗入或者是焊后热处理不到位等原因，导致碳化，脆性增加，塑性、韧性降低，在反复膨胀收缩的情况下产生裂纹，影响使用，严重时导致报废。尤其，材质为TP304H不锈钢的波纹管在450～850oC之间很容易形成脆硬组织，容易产生裂纹；异种钢接口长期高温运行，也使级别较低的一侧发生蠕变导致开裂，所以不论什么材质的膨胀节在设计安装时都有保护蒸汽，来防止膨胀节长期超温影响生产。图1为膨胀节上的劲板，材质为16MnR由于超温发生开裂。

1 膨胀节开裂原因分析

高温环境使用的膨胀节其部件有：波纹管、连接短接、链条、蒸汽保护环、固定螺栓、内部套管。波纹管和内部套管材质多为TP304或TP321不锈钢，连接短接及其部件材质为16MnR、15CrMo或Cr5Mo，当然也有一些材质为20#锅炉钢。膨胀节在长期连续运行过程中不论是哪一种材质，那一部件都有开裂的可能，其主要原因有以下几点：

1.1 本体缺陷

膨胀节及其部件所使用的16MnR、TP304等材质的本体或焊缝在制造过程中存在偏析，也有的留有坑点、夹层甚至微小的裂纹源，这些缺陷在膨胀节反复波动以及输送介质有害成分的影响下都会不断扩展导致开裂，当然有些也会导致腐蚀穿孔，不易使用。

1.2 制作、安装缺陷

膨胀节及其部件都是现场组对焊接的，所以难免有点扭曲变形，安装时就会强行矫正，使安装后的膨胀节始终残留有应力。再者，膨胀节安装标准要求比较严格，要先做预变形，组对时不得采用膨胀节变形的方法来调节错位，保证组对和运行过程中处于低应的自由状态；焊接时焊渣不得飞溅到波纹管上，防止出现点状碳化和坑点，安装好以后要将膨胀节固定螺栓松开到一定程度，活动链条都能自由活动，不得有物体挡害，保证运行过程在一定范围内自由膨胀收缩。但是，往往施工人员不按标准施工，安装时随意调整膨胀节固定螺栓，导致其安装后处于自由状态，而运行起来始终处于变形受力状态，这样尤其波纹管和波纹管与短接的焊接接头就会受应力的影响产生裂纹。

1.3 输送介质的影响

膨胀节一般都用在生产装置的特殊部位，尤其高温环境的膨胀节所输送的介质往往含有大量的S 、P、H2、N2等有害物质，经过长期的连续运行，逐渐渗入金属内部，对金属的机械性能有着极大的影响，在介质压力、温度以及外界载荷的影响下，收缩膨胀频繁，导致化学成分已发生变化的母材产生裂纹或加速腐蚀穿孔，特别是波纹管和异种材质接头非常容易产生裂纹。

1.4 制作、安装输送介质运行温度的影响

波纹管和内部套管材质多为TP304或TP321不锈钢，连接短接及其部件材质为16MnR、15CrMo、Cr5Mo或20#锅炉钢的膨胀节，大部分都用在450～550℃的温度区间，而TP304和TP321这些奥氏体不锈钢如果长时间在450～850℃之间运行很容易形成脆硬组织，容易产生裂纹；16MnR、15CrMo、Cr5Mo和20#锅炉钢长时间在450～550℃的温度区间运行也会发生蠕变或逐渐渗碳，在温度波动以及外界载荷的作用下就会开裂，严重时会断裂。

1.5 使用操作存在问题

对于管道部件而言，膨胀节是最为脆弱的部件，不论制作安装还是操作使用都容易损坏。使用操作的人员多，技术水平高低不一，换岗时技术交底不到位，导致输送介质流量不一，温度不断变化，急剧冷却或升温使金属晶粒变得粗大，脆性增加而塑性和韧性降低，反反复复的膨胀收缩使其加速开裂。

2 膨胀节裂纹修复

膨胀节长时间在高温环境运行，波纹管及部件都有可能出现裂纹或穿孔，影响使用，影响生产。为了保证生产，延长膨胀节使用寿命，要对破损的部位进行修复。本文就以蒸汽保护环断裂孔洞修复和波纹管波峰修复为例，讲述的具体过程。

2.1 蒸汽保护环断裂孔洞修复

一般情况下，高温环境的膨胀节都设有材质为20#锅炉钢蒸汽保护环，并与不锈钢短节相互连接。在正常情况下保护环始终输送着蒸汽，短时间内不会出现问题，而时间久了如15年以上时管道堵塞蒸汽流通不畅，就会导致高温部位（与膨胀节短节连接处）严重碳化断裂，为了保证其连续使用，可以进行修复。具体步骤如下：

（1）先将膨胀节断裂的部位扩大到150mm左右进行切割，然后用相同材质、相同规格的板材按标准打磨出规则的坡口，再把内外的渗碳层打磨干净，选用A307焊条，105A的焊接电流进行点固、焊接，以便进一步细化接头晶粒，降低氧的含量，缩短450～850oC之间的停留时间，降低脆性，提高塑性和韧性；

（2）蒸汽环恢复时，将原来的环形管全部更换，与筒体连接的短节更换为TP304加厚短节，使异种接口远离高温区，并且移位安装，对接部位要与修复的部位错开300mm以上。所有焊接部位按标准打磨出规则的坡口，再把内外的渗碳层打磨干净，除了20#锅炉钢同种材质焊接以外，其余的都选用A307焊条，105A的焊接电流进行点固、焊接。

2.2 波纹管波峰修复

膨胀节波纹管往往容易在内外波峰峰顶开裂或穿孔，其主要原因是运行时膨胀节没有完全处于自由状态，受力不均匀，各个波峰收缩膨胀不一致，时间久了收缩量较大的波峰就会出现疲劳断裂。穿孔根自由膨胀收缩没有太大关系，但是绝对离不开化学成分不匀和介质的腐蚀。不论是开裂还是穿孔，都可以进行修复。具体步骤如下：

2.2.1 切割挖除

切割时两端要离开缺陷端点20mm以上，两侧要位于波峰两侧的平面上，且高度不大于峰高的50%，并清理油、锈等杂质，同时打磨出标准的破口。

2.2.2 材料预制、组对

根据切下来的样品规格尺寸寻找或制作相同的波峰块，并将组对部位清理干净，同时打磨出标准的破口。组对时不留间隙。

2.2.3 焊接

采用全氩，镍基焊丝，逆变直流焊机正接法，全熔透操作方法进行焊接。 焊接顺序：点固焊焊缝位置及焊接顺序如图2所示。焊接顺序为：1-2-3-4-5-6-7-8；焊接方向：1，2段为由C，D点向右；3，4段为由C，D点向左；5，6，7，8段为由下向上。

3 质量检验

不论是波纹管波峰、孔洞还是其它部位焊接修复，切割前必须对损坏部位进行着色检测，对缺陷范围进行确定。15CrMo、Cr5Mo等耐热钢焊接修复时，要按标准预热、消氢以及热处理。任何焊缝焊后外观平整美观，热影响区及焊缝硬度符合相应标准要求。 波纹管波峰焊后内侧要平滑且余高小于0，外侧消除余高并抛光处理。 修复的对接焊缝尽量进行射线探伤，探伤结果达到Ⅱ级以上，再进行管道正常压力的1.25倍的水压实验，无泄漏为合格。角焊缝应先做着色检验，无缺陷后再进行水压实验。

4 结语

从实践中可以看出，高温环境长期连续运行金属膨胀节及其部件开裂原因比较复杂，如果控制裂纹或其他问题的出现，还要从设计、制造、安装、使用等多方面着手进行。至于修复是为了保证生产应急的一种暂时性的手段，而长期连续运行修复部位有可能还会重复出现问题。所以膨胀节如果出现问题，就要及时备货找机会更换，以免耽误生产。