应用分享 | 波纹管开裂失效分析

波纹管是一种带横向波纹的圆柱形薄壁弹性壳体,其生产历史已有一百多年。直到第二次世界大战时期才用作仪器、仪表的弹性敏感元件和各类管道的联结元件,现已广泛用于矿山、石油、化工、冶金、电力、热力、航海、航天等工程设备中，起密封、吸振、降噪、储能、热补偿和介质隔离作用。

      波纹管有多种形式就波的形状而言,以U型波纹管应用广泛,其次还有C型、Ω型、矩形和S型等;就层数而言,则分为单层和多层波纹管。

      本例针对某机型机头与容器间壁厚为0.2mm，运行2000多小时发生泄漏的单层U型波纹管，使用金相显微镜，扫描电子显微镜等专业设备对波纹管失效部位做全面分析。

      拿到波纹管泄漏样品（图 1），对于搞机械的来讲，很容易想到用气压测试确定波纹管泄漏大致位置。事实也是如此，采用此种方法可以很方便的确认泄漏位置大致位于接头焊缝附近。紧接着去除波纹管接头部保护环及编织网，裸眼观测，对于大一些的裂纹可以直接看到，但是对于微小裂纹或者说想要知道裂纹萌生——发展——失稳的整个过程，就必须要借助于体式显微镜。体视显微镜放大倍数50倍，以其较经典显微镜更为出色的大景深，广泛应用于各种断口的宏观观察和拍照。  

图 1     波纹管宏观形貌

      图 2为是焊缝附近裂纹。其拍摄照片可以直观的反映出裂纹位置以及近裂纹表面焊接过程中产生的高温氧化色。仅仅观测到裂纹，确定裂纹位置对于查找其产生的根本原因还是远远不够的。想要了解的是整个波纹管寿命周期，从生产到使用究竟是哪个环节的问题导致了其异常开裂，进而引起泄漏。这就需要搜集各个环节的信息，越详细越好，例如：生产制造工艺、材料技术标准、设计技术条件、安装过程、使用过程……。通常想要真正了解原因，这些条件都是必要的。

图 2     焊缝部位裂纹局部宏观形貌

      接下来要使用的更为精密设备和复杂的制样来观察分析。众所周知，机械行业大多传动部件其加工过程中都要热处理，其目的就是通过改变材料组织进而优化材料机械性能。对于生产检验，一般测试机械性能就可以了，但是对于失效分析，想要查清问题背后的原因，仅测性能是不够的，需要观察组织去了解影响性能背后的原因。观察组织就要用到材料领域的——金相显微镜。这里使用的是金相显微镜，其可在50-1000倍观察样品。图 3、图4和图 5是使用显微镜拍摄的照片。其中开裂确切位置清晰可见——焊接热影响区，同时可见波纹管管壁痕迹，表明母材与焊料熔合不是很好，管壁裂纹起始位置可见细小的晶间裂纹。

图 3      焊缝部位裂纹周围组织局部形貌

图 4      断裂起始位置表面晶间裂纹局部形貌

图 5     表面晶间裂纹周围组织局部形貌

      失效分析当中的重头戏——断口分析，其要使用的设备也是失效分析中重量级的设备——扫描电子显微镜，简称SEM。SEM以其出色的放大倍数和观察景深而闻名。随机配备的能谱仪，更使其如虎添翼，使得其在失效分析领域大放异彩。图6 、图7 为使用SEM拍摄到的波纹管断裂面的照片，其清晰告知断裂模式为晶间腐蚀—疲劳断裂。

图 6     断口开裂源部位表面晶间裂纹局部形貌

 图 7     断口裂纹扩展区疲劳纹局部形貌

      304不锈钢的敏化温度区间大致为425-815℃[1]。在焊接接头的焊接过程中，热影响区热循环峰值温度在600-1000℃。在随后的冷却过程中，如果在304敏化温度区域停留时间过长将会导致材料晶间腐蚀敏感性增加。焊接时可以通过提高焊接速度的方法来增大电流，维持较低的热输入，从而降低晶间腐蚀的倾向，也可以对焊接后的不锈钢进行固溶处理和稳定化处理来降低焊接件晶间腐蚀敏感性^[1,2]。

      综上，结合各种背景信息以及各种测试分析手段的相互佐证，可以得出造成连接机头和容器波纹管泄漏的原因为波纹管接头焊接工艺不当，使得304表面使用过程中产生晶间腐蚀，进而萌生晶间裂纹在周期性载荷作用下造成波纹管早期疲劳开裂。

参考文献

[1].  张晶莹. 304奥氏体不锈钢的晶间腐蚀与防护.装备制造技术,2012,2:154-155.

[2].  赵强,肖维宝 等.304不锈钢法兰焊接裂纹分析与返修.焊接,2017,2:54-56.

作者

阿特拉斯·科普柯(无锡)压缩机有限公司  程晓波