楊永磊 張 娟

（中國石油集團(tuán)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(huán)境膨脹節(jié)是指長期輸送介質(zhì)溫度為550oC以上或外界環(huán)境為450oC以上的金屬膨脹節(jié)，而且連接短接及其部件材質(zhì)為16MnR、15CrMo或Cr5Mo，波紋管材質(zhì)為TP304或TP321不銹鋼的膨脹節(jié)。這些材質(zhì)的膨脹節(jié)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(huán)境溫度的波動(dòng)、使用操作不當(dāng)、輸送介質(zhì)有害元素的滲入或者是焊后熱處理不到位等原因，導(dǎo)致碳化，脆性增加，塑性、韌性降低，在反復(fù)膨脹收縮的情況下產(chǎn)生裂紋，影響使用，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致報(bào)廢。尤其，材質(zhì)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(chǎn)生裂紋；異種鋼接口長期高溫運(yùn)行，也使級(jí)別較低的一側(cè)發(fā)生蠕變導(dǎo)致開裂，所以不論什么材質(zhì)的膨脹節(jié)在設(shè)計(jì)安裝時(shí)都有保護(hù)蒸汽，來防止膨脹節(jié)長期超溫影響生產(chǎn)。圖1為膨脹節(jié)上的勁板，材質(zhì)為16MnR由于超溫發(fā)生開裂。

1 膨脹節(jié)開裂原因分析

高溫環(huán)境使用的膨脹節(jié)其部件有：波紋管、連接短接、鏈條、蒸汽保護(hù)環(huán)、固定螺栓、內(nèi)部套管。波紋管和內(nèi)部套管材質(zhì)多為TP304或TP321不銹鋼，連接短接及其部件材質(zhì)為16MnR、15CrMo或Cr5Mo，當(dāng)然也有一些材質(zhì)為20#鍋爐鋼。膨脹節(jié)在長期連續(xù)運(yùn)行過程中不論是哪一種材質(zhì)，那一部件都有開裂的可能，其主要原因有以下幾點(diǎn)：

1.1 本體缺陷

膨脹節(jié)及其部件所使用的16MnR、TP304等材質(zhì)的本體或焊縫在制造過程中存在偏析，也有的留有坑點(diǎn)、夾層甚至微小的裂紋源，這些缺陷在膨脹節(jié)反復(fù)波動(dòng)以及輸送介質(zhì)有害成分的影響下都會(huì)不斷擴(kuò)展導(dǎo)致開裂，當(dāng)然有些也會(huì)導(dǎo)致腐蝕穿孔，不易使用。

1.2 制作、安裝缺陷

膨脹節(jié)及其部件都是現(xiàn)場組對(duì)焊接的，所以難免有點(diǎn)扭曲變形，安裝時(shí)就會(huì)強(qiáng)行矯正，使安裝后的膨脹節(jié)始終殘留有應(yīng)力。再者，膨脹節(jié)安裝標(biāo)準(zhǔn)要求比較嚴(yán)格，要先做預(yù)變形，組對(duì)時(shí)不得采用膨脹節(jié)變形的方法來調(diào)節(jié)錯(cuò)位，保證組對(duì)和運(yùn)行過程中處于低應(yīng)的自由狀態(tài)；焊接時(shí)焊渣不得飛濺到波紋管上，防止出現(xiàn)點(diǎn)狀碳化和坑點(diǎn)，安裝好以后要將膨脹節(jié)固定螺栓松開到一定程度，活動(dòng)鏈條都能自由活動(dòng)，不得有物體擋害，保證運(yùn)行過程在一定范圍內(nèi)自由膨脹收縮。但是，往往施工人員不按標(biāo)準(zhǔn)施工，安裝時(shí)隨意調(diào)整膨脹節(jié)固定螺栓，導(dǎo)致其安裝后處于自由狀態(tài)，而運(yùn)行起來始終處于變形受力狀態(tài)，這樣尤其波紋管和波紋管與短接的焊接接頭就會(huì)受應(yīng)力的影響產(chǎn)生裂紋。

1.3 輸送介質(zhì)的影響

膨脹節(jié)一般都用在生產(chǎn)裝置的特殊部位，尤其高溫環(huán)境的膨脹節(jié)所輸送的介質(zhì)往往含有大量的S 、P、H2、N2等有害物質(zhì)，經(jīng)過長期的連續(xù)運(yùn)行，逐漸滲入金屬內(nèi)部，對(duì)金屬的機(jī)械性能有著極大的影響，在介質(zhì)壓力、溫度以及外界載荷的影響下，收縮膨脹頻繁，導(dǎo)致化學(xué)成分已發(fā)生變化的母材產(chǎn)生裂紋或加速腐蝕穿孔，特別是波紋管和異種材質(zhì)接頭非常容易產(chǎn)生裂紋。

1.4 制作、安裝輸送介質(zhì)運(yùn)行溫度的影響

波紋管和內(nèi)部套管材質(zhì)多為TP304或TP321不銹鋼，連接短接及其部件材質(zhì)為16MnR、15CrMo、Cr5Mo或20#鍋爐鋼的膨脹節(jié)，大部分都用在450～550℃的溫度區(qū)間，而TP304和TP321這些奧氏體不銹鋼如果長時(shí)間在450～850℃之間運(yùn)行很容易形成脆硬組織，容易產(chǎn)生裂紋；16MnR、15CrMo、Cr5Mo和20#鍋爐鋼長時(shí)間在450～550℃的溫度區(qū)間運(yùn)行也會(huì)發(fā)生蠕變或逐漸滲碳，在溫度波動(dòng)以及外界載荷的作用下就會(huì)開裂，嚴(yán)重時(shí)會(huì)斷裂。

1.5 使用操作存在問題

對(duì)于管道部件而言，膨脹節(jié)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(shù)水平高低不一，換崗時(shí)技術(shù)交底不到位，導(dǎo)致輸送介質(zhì)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(fù)復(fù)的膨脹收縮使其加速開裂。

2 膨脹節(jié)裂紋修復(fù)

膨脹節(jié)長時(shí)間在高溫環(huán)境運(yùn)行，波紋管及部件都有可能出現(xiàn)裂紋或穿孔，影響使用，影響生產(chǎn)。為了保證生產(chǎn)，延長膨脹節(jié)使用壽命，要對(duì)破損的部位進(jìn)行修復(fù)。本文就以蒸汽保護(hù)環(huán)斷裂孔洞修復(fù)和波紋管波峰修復(fù)為例，講述的具體過程。

2.1 蒸汽保護(hù)環(huán)斷裂孔洞修復(fù)

一般情況下，高溫環(huán)境的膨脹節(jié)都設(shè)有材質(zhì)為20#鍋爐鋼蒸汽保護(hù)環(huán)，并與不銹鋼短節(jié)相互連接。在正常情況下保護(hù)環(huán)始終輸送著蒸汽，短時(shí)間內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)問題，而時(shí)間久了如15年以上時(shí)管道堵塞蒸汽流通不暢，就會(huì)導(dǎo)致高溫部位（與膨脹節(jié)短節(jié)連接處）嚴(yán)重碳化斷裂，為了保證其連續(xù)使用，可以進(jìn)行修復(fù)。具體步驟如下：

（1）先將膨脹節(jié)斷裂的部位擴(kuò)大到150mm左右進(jìn)行切割，然后用相同材質(zhì)、相同規(guī)格的板材按標(biāo)準(zhǔn)打磨出規(guī)則的坡口，再把內(nèi)外的滲碳層打磨干凈，選用A307焊條，105A的焊接電流進(jìn)行點(diǎn)固、焊接，以便進(jìn)一步細(xì)化接頭晶粒，降低氧的含量，縮短450～850oC之間的停留時(shí)間，降低脆性，提高塑性和韌性；

（2）蒸汽環(huán)恢復(fù)時(shí)，將原來的環(huán)形管全部更換，與筒體連接的短節(jié)更換為TP304加厚短節(jié)，使異種接口遠(yuǎn)離高溫區(qū)，并且移位安裝，對(duì)接部位要與修復(fù)的部位錯(cuò)開300mm以上。所有焊接部位按標(biāo)準(zhǔn)打磨出規(guī)則的坡口，再把內(nèi)外的滲碳層打磨干凈，除了20#鍋爐鋼同種材質(zhì)焊接以外，其余的都選用A307焊條，105A的焊接電流進(jìn)行點(diǎn)固、焊接。

2.2 波紋管波峰修復(fù)

膨脹節(jié)波紋管往往容易在內(nèi)外波峰峰頂開裂或穿孔，其主要原因是運(yùn)行時(shí)膨脹節(jié)沒有完全處于自由狀態(tài)，受力不均勻，各個(gè)波峰收縮膨脹不一致，時(shí)間久了收縮量較大的波峰就會(huì)出現(xiàn)疲勞斷裂。穿孔根自由膨脹收縮沒有太大關(guān)系，但是絕對(duì)離不開化學(xué)成分不勻和介質(zhì)的腐蝕。不論是開裂還是穿孔，都可以進(jìn)行修復(fù)。具體步驟如下：

2.2.1 切割挖除

切割時(shí)兩端要離開缺陷端點(diǎn)20mm以上，兩側(cè)要位于波峰兩側(cè)的平面上，且高度不大于峰高的50%，并清理油、銹等雜質(zhì)，同時(shí)打磨出標(biāo)準(zhǔn)的破口。

2.2.2 材料預(yù)制、組對(duì)

根據(jù)切下來的樣品規(guī)格尺寸尋找或制作相同的波峰塊，并將組對(duì)部位清理干凈，同時(shí)打磨出標(biāo)準(zhǔn)的破口。組對(duì)時(shí)不留間隙。

2.2.3 焊接

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

3 質(zhì)量檢驗(yàn)

不論是波紋管波峰、孔洞還是其它部位焊接修復(fù)，切割前必須對(duì)損壞部位進(jìn)行著色檢測，對(duì)缺陷范圍進(jìn)行確定。15CrMo、Cr5Mo等耐熱鋼焊接修復(fù)時(shí)，要按標(biāo)準(zhǔn)預(yù)熱、消氫以及熱處理。任何焊縫焊后外觀平整美觀，熱影響區(qū)及焊縫硬度符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求。 波紋管波峰焊后內(nèi)側(cè)要平滑且余高小于0，外側(cè)消除余高并拋光處理。 修復(fù)的對(duì)接焊縫盡量進(jìn)行射線探傷，探傷結(jié)果達(dá)到Ⅱ級(jí)以上，再進(jìn)行管道正常壓力的1.25倍的水壓實(shí)驗(yàn)，無泄漏為合格。角焊縫應(yīng)先做著色檢驗(yàn)，無缺陷后再進(jìn)行水壓實(shí)驗(yàn)。

4 結(jié)語

從實(shí)踐中可以看出，高溫環(huán)境長期連續(xù)運(yùn)行金屬膨脹節(jié)及其部件開裂原因比較復(fù)雜，如果控制裂紋或其他問題的出現(xiàn)，還要從設(shè)計(jì)、制造、安裝、使用等多方面著手進(jìn)行。至于修復(fù)是為了保證生產(chǎn)應(yīng)急的一種暫時(shí)性的手段，而長期連續(xù)運(yùn)行修復(fù)部位有可能還會(huì)重復(fù)出現(xiàn)問題。所以膨脹節(jié)如果出現(xiàn)問題，就要及時(shí)備貨找機(jī)會(huì)更換，以免耽誤生產(chǎn)。