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不銹鋼金屬軟管產(chǎn)品質(zhì)量及應(yīng)用現(xiàn)狀
摘要: 金屬軟管具有減少管道的安裝應(yīng)力、補(bǔ)償管道的位置移動(dòng)、吸收管路系統(tǒng)的振動(dòng)和管路系統(tǒng)噪音等功能，廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)車船舶等領(lǐng)域。針對(duì)金屬軟管在應(yīng)用中出現(xiàn)的事故，進(jìn)行了失效原因分析，闡明了金屬軟管的設(shè)計(jì)與選材、加工與熱處理、安裝、使用環(huán)境等方面失效機(jī)理; 概括了金屬軟管在重點(diǎn)行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀，提出了加強(qiáng)行業(yè)監(jiān)管的重要性。
引言
金屬軟管是以波紋管為核心元件的輸送各種流體的管配件，其主要功能是減振，消除噪音，具有柔性好、質(zhì)量輕、耐腐蝕、抗疲勞、耐高低溫、減震降噪，密封性強(qiáng)，使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)車船舶、冶金石化、城市供水、醫(yī)療衛(wèi)生、輕紡電子、能源建筑等領(lǐng)域。近年來，市場對(duì)高端金屬軟管產(chǎn)品需求以每年超過50%的速度增長，進(jìn)口金屬軟管產(chǎn)品也以每年30%的速度遞增，因此，應(yīng)提升自主創(chuàng)新能力，強(qiáng)化科技開發(fā)，形成核心技術(shù)和專利，加快科技成果的轉(zhuǎn)換，滿足對(duì)金屬軟管產(chǎn)品需求。
金屬軟管在應(yīng)用中出現(xiàn)的事故及失效原因
近些年隨著金屬軟管的不斷發(fā)展，各行各業(yè)耐高溫、耐高壓的波紋金屬軟管的需求量愈來愈大。與此同時(shí)金屬軟管發(fā)生失效的事故也在日益增多，由于軟管失效而造成事故、環(huán)境污染及經(jīng)濟(jì)等方面的損失巨大。以下為部分近期出現(xiàn)的金屬軟管失效案例。
(1) 某公司沿海供熱管系金屬軟管在生產(chǎn)運(yùn)行中爆裂，造成10t 油品泄漏至內(nèi)河，造成環(huán)境污染。其失效主要原因?yàn)辄c(diǎn)腐蝕及應(yīng)力腐蝕造成鋼絲網(wǎng)套損壞引起失效。
(2) 烏魯木齊市某煉油廠芳烴車間連續(xù)重整裝置加熱爐輔助火嘴金屬波紋軟管發(fā)生泄漏。其失效主要原因?yàn)榻饘佘浌懿牧喜环显O(shè)計(jì)要求，腐蝕性環(huán)境也加劇了管道的破裂。
(3) 某艇與空壓機(jī)連接的金屬軟管在靠近管路系統(tǒng)一端發(fā)生斷裂，金屬軟管的鋼絲網(wǎng)套與接頭完全崩斷。其失效主要原因?yàn)镃l 離子腐蝕造成鋼絲網(wǎng)套損壞引起失效。
(4) 某工程制冷機(jī)房冷凍水循環(huán)水泵出口金屬軟管在運(yùn)行時(shí)，出現(xiàn)外網(wǎng)破壞，內(nèi)膽局部變形，管道在軟節(jié)處錯(cuò)位的現(xiàn)，其失效主要原因?yàn)楣潭ㄖЪ軓?qiáng)度低、金屬軟管外鋼網(wǎng)強(qiáng)度低。
(5) 某輸送液硫的波紋金屬軟管發(fā)生破裂導(dǎo)致液硫泄漏。其失效主要原因?yàn)槭褂眠^程中的應(yīng)力腐蝕及生產(chǎn)過程中的材料固溶處理不當(dāng)導(dǎo)致金屬軟管開裂。
( 6) 某油庫油罐進(jìn)出油管閥門前安裝的金屬軟管變形嚴(yán)重，網(wǎng)套不銹鋼帶及金屬軟管被拉伸引起失效，其失效主要原因?yàn)楣芫€支座設(shè)置不合理致使補(bǔ)償時(shí)管線整體側(cè)移引起失效。
2 金屬軟管失效機(jī)理及建議
2.1 金屬軟管的設(shè)計(jì)與選型
2.1.1 原材料質(zhì)量
一般軟管的材料和絲網(wǎng)均選用奧氏體不銹鋼( 304，316L) ，Cr、Mo、Ni 等元素能使其具有良好抗點(diǎn)腐蝕性能，且隨著鋼中的C 含量的降低，抗點(diǎn)蝕性能提高。制造企業(yè)應(yīng)選用符合標(biāo)準(zhǔn)要求的材質(zhì)，保障產(chǎn)品耐腐蝕和應(yīng)力腐蝕性能。
2.1.2 尺寸
軟管的尺寸在一定程度上決定其壽命。如金屬軟管過短可能達(dá)不到補(bǔ)償、減振、消除噪音等目的; 而軟管過長將產(chǎn)生失穩(wěn)、增大流阻以及附加的機(jī)械損傷及振動(dòng)等問題。因此，在使用過程中，應(yīng)按照GB/T14525－2010 標(biāo)準(zhǔn)要求的曲率半徑進(jìn)行長度的選擇。
2.1.3 法蘭形式
兩端均為固定法蘭，在部分應(yīng)用場合，易造成軟管扭轉(zhuǎn)，降低其使用壽命?？蛇x用一端焊接法蘭，一端松套法蘭，可達(dá)到軟管安裝后無扭矩的狀態(tài)，增加使用壽命。
2.2 金屬軟管的加工
2.2.1 焊接質(zhì)量
波紋管、加強(qiáng)環(huán)和鋼絲網(wǎng)套在焊接過程中易出現(xiàn)鋼絲虛焊現(xiàn)象(過燒或未焊上) ，當(dāng)軟管裝入管路后由于鋼絲受力不均，在介質(zhì)壓力作用下，虛焊鋼絲拉脫，可導(dǎo)致波紋管外鼓破壞。
金屬軟管中的波紋管縱焊縫的虛焊、有氣孔、枝晶疏松等缺陷，使波紋管壁厚的有效面積減小，強(qiáng)度不夠?qū)е潞缚p處開裂破壞。碳鋼材料與不銹鋼零件焊接，形成典型小面積的陽極性零件和大面積的陰極性零件接觸的不利環(huán)境，易導(dǎo)致材料迅速腐蝕失效。因此應(yīng)加強(qiáng)焊接環(huán)節(jié)工藝研究及焊材材料選擇，加強(qiáng)焊接質(zhì)量檢驗(yàn)，以提高產(chǎn)品可靠性。
2.2.2 機(jī)械加工
材料在軋波加工過程中由于受力不均勻，易在波峰內(nèi)表面產(chǎn)生具有規(guī)律性的微裂紋，在焊接和成型工藝過程中，微裂紋起裂于軟管內(nèi)表面，在隨后的總成試驗(yàn)及使用過程中微裂紋產(chǎn)生疲勞擴(kuò)展，最后失效。材料加工工藝與焊接工藝改進(jìn)可以避免微裂紋的產(chǎn)生。
2.2.3 熱處理
熱處理主要作用為: 提高金屬材料的切削性能和加工精度; 提高金屬材料的斷裂韌性; 減少金屬材料的開裂。如果熱處理不完全，將影響產(chǎn)品質(zhì)量。例如: 奧氏體不銹鋼的固溶熱處理溫度約為1 080℃，若固溶處理不完全，碳化物未能充分固溶，材料本身有碳化物析出，則會(huì)降低材料的耐蝕性和韌性。要減少熱處理所致的缺陷，應(yīng)消除裂紋產(chǎn)生條件，提高表面壓應(yīng)力，提高金屬材料質(zhì)量并適當(dāng)添加合金元素。
2.3 安裝
安裝不規(guī)范，對(duì)軟管施加額外應(yīng)力，如強(qiáng)扭、強(qiáng)拉、摩擦、沖撞、撬杠施力均會(huì)對(duì)產(chǎn)品造成損傷。例如，在安裝過程中，應(yīng)將金屬軟管保持在自由狀態(tài)下直線安裝，不應(yīng)強(qiáng)行軸向拉伸或壓縮，順其自然地水平放置，這樣可以避免由于強(qiáng)行拉、壓或彎曲造成金屬軟管的網(wǎng)套脫網(wǎng)。
2.4 應(yīng)用環(huán)境
2.4.1 溫度
在高溫下使用的金屬軟管，須按金屬軟管高溫下的工作壓力溫度修正系數(shù)，降低其額定工作壓力，以確保在安全的條件下進(jìn)行使用。
2.4.2 腐蝕
金屬軟管材質(zhì)一般為不銹鋼，介質(zhì)中存在的活性陰離子( 如氯離子和硫離子等) 易破壞不銹鋼鈍化膜，在基層金屬上出現(xiàn)小腐蝕孔，它是點(diǎn)腐蝕生成的活性中心。蝕孔內(nèi)金屬表面電位較負(fù)，蝕孔外金屬表面電位較正，于是孔內(nèi)和孔外構(gòu)成了一個(gè)活態(tài)鈍態(tài)微電偶腐蝕電池，電池具有大陰極小陽極的面積比結(jié)構(gòu)，陽極電流密度很大，蝕孔加深很快。腐蝕后的金屬軟管強(qiáng)度降低，在承受內(nèi)壓及拉載荷時(shí)易造成失效。因此，在具有腐蝕性環(huán)境應(yīng)用的金屬軟管，應(yīng)有針對(duì)性地選擇材料，增加防護(hù)措施，提高抗腐蝕性能。
2.4.3 疲勞失效
在動(dòng)態(tài)工作狀態(tài)下，金屬軟管受到循環(huán)載荷作用往往發(fā)生疲勞裂紋破壞。此種破壞屬正常失效。為延長使用壽命應(yīng)保證軟管設(shè)計(jì)選型正確，安裝準(zhǔn)確無誤，不使軟管產(chǎn)生扭曲等附加應(yīng)力。
2.4.4 水擊現(xiàn)象
水擊現(xiàn)象是由于介質(zhì)流動(dòng)狀態(tài)忽然改變，管內(nèi)流體動(dòng)量發(fā)生變化而產(chǎn)生的壓力瞬變過程，是管內(nèi)不穩(wěn)定流動(dòng)所引起的一種特殊振蕩現(xiàn)象。急劇升降的壓力波通過管路傳遞時(shí)會(huì)產(chǎn)生一種猶如用錘子敲擊管路時(shí)發(fā)出的噪音，因此亦稱為水錘。當(dāng)水擊發(fā)生時(shí)，對(duì)管道的彎管段的沖擊力更加強(qiáng)烈。因此，用戶應(yīng)按照操作規(guī)程的要求，如緩慢加溫，平穩(wěn)加壓，降低瞬時(shí)流量及壓力的變化量，避免水擊現(xiàn)象的產(chǎn)生。
2.4.5 輸送介質(zhì)
若軟管中輸送介質(zhì)具有化學(xué)屬性( 酸性或堿性) ，易發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，應(yīng)按軟管材質(zhì)的耐腐蝕性能參數(shù)表，對(duì)軟管各零件的材質(zhì)進(jìn)行合理選擇。
除上述外，管內(nèi)的熱膨脹、外部振動(dòng)和沖擊、交變工作條件、缺少定期的監(jiān)測與保養(yǎng)、管理不到位等，也都會(huì)影響軟管的壽命。
3 金屬軟管在重點(diǎn)行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀
3.1 軍用軟管行業(yè)
軍用不銹鋼金屬軟管市場分為上天飛行器用軟管和地面設(shè)備用軟管兩大類。上天用不銹鋼金屬軟管由于受定型產(chǎn)品的約束，尚未有新品代替，仍以無縫軟管為主。地面設(shè)備用軍品軟管由于使用場合的風(fēng)險(xiǎn)較小，己逐漸有被民用不銹鋼金屬軟管替代的趨勢。
3.2 民用軟管主要行業(yè)
3.2.1 鋼鐵冶金行業(yè)
不銹鋼金屬軟管正逐漸從產(chǎn)品性能競爭過渡到性能價(jià)格比的競爭，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)基本定型，該行業(yè)應(yīng)用不銹鋼金屬軟管己被廣泛認(rèn)同。
3.2.2 石化行業(yè)
大口徑高壓軟管及儲(chǔ)罐中央排水軟管的市場需求越來越大，而該領(lǐng)域國內(nèi)新品開發(fā)遠(yuǎn)不能滿足市場需求。目前，某些場合的軟管己出現(xiàn)其他產(chǎn)品替代的現(xiàn)象，如碼頭用管道市場上出現(xiàn)的非金屬管。
3.2.3 鐵路機(jī)車行業(yè)
由于鐵道部資料對(duì)所用規(guī)定的復(fù)合膠管形式作了定型規(guī)定，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)近些年變化不會(huì)很大，目前主要表現(xiàn)為價(jià)格和服務(wù)的競爭。但從長遠(yuǎn)來看，由于使用工況復(fù)雜，復(fù)合膠管損壞的不確定性，從國外該行業(yè)軟管的發(fā)展來看，被不銹鋼金屬軟管代替是不可避免的，該產(chǎn)品的開發(fā)尚在進(jìn)行中。
3.2.4 船舶行業(yè)
產(chǎn)品除需要經(jīng)船級(jí)社檢測外，無專門產(chǎn)品技術(shù)性能要求，但其市場需求量也非常巨大。例如內(nèi)河采用的是浮碼頭，閥室至輸油臂段必須采用金屬軟管加以補(bǔ)償，否則會(huì)形成巨大的界面應(yīng)力，對(duì)裝卸船管線及輸油臂等設(shè)施造成嚴(yán)重?fù)p壞。
3.2.5 汽車排氣系統(tǒng)行業(yè)
汽車行業(yè)，主要是排氣管系統(tǒng)用波紋管撓性節(jié)的市場，其市場具有非常大的潛力，目前該產(chǎn)品的發(fā)展趨勢良好。但需要解決產(chǎn)品的性能穩(wěn)定性和生產(chǎn)率、成本等問題。
3.2.6 給排水、空調(diào)行業(yè)
由于金屬軟管具有可靠性高、耐高溫、補(bǔ)償量大的優(yōu)點(diǎn)，近年來已經(jīng)越來越多地在給排水、空調(diào)水系統(tǒng)中得到應(yīng)用。
3.3 特種軟管行業(yè)
該行業(yè)用軟管主要是指海洋軟管系列，由于其設(shè)備要求高，投資規(guī)模巨大( 約5億元) ，目前國內(nèi)還沒有能力自行開發(fā)研制，大多依靠進(jìn)口，市場非常巨大。
4 結(jié)束語
由金屬軟管應(yīng)用現(xiàn)狀及近年來由于金屬軟管失效導(dǎo)致的事故案例的列舉，可以看到金屬軟管的產(chǎn)品質(zhì)量將影響航空航天、機(jī)車船舶、冶金石化、城市供水等領(lǐng)域。從失效原因分析看，加強(qiáng)設(shè)計(jì)、制造及應(yīng)用各環(huán)節(jié)監(jiān)管，可以有效提升產(chǎn)品質(zhì)量。在金屬軟管從特種設(shè)備名錄刪除后，無制造許可證企業(yè)對(duì)市場的沖擊力增大，產(chǎn)品質(zhì)量情況堪憂，因此，加強(qiáng)對(duì)軟管企業(yè)監(jiān)督管理勢在必行。從金屬軟管的國際國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)來看，實(shí)施各種軟管的質(zhì)量與技術(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)，有據(jù)可依，行之有效。通過驗(yàn)證試驗(yàn)及監(jiān)督管理，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品缺陷，進(jìn)而幫助用戶把好質(zhì)量關(guān)，幫助企業(yè)提升產(chǎn)品質(zhì)量。