高压金属软管声发射评价技术

高压金属软管声发射评价技术

金波1，张伟刚1，晏泽晨2

  （1.江苏省特种设备安全监督检验研究院，江苏 泰州 225300，

 2.中海油气(泰州)石化有限公司，江苏 泰州 225300）

摘要：高压金属软管是常用管道元件，本文通过对车载液冷源的高压金属软管进行有限元模拟，并进行声发射对比采样，并建立评价方案，以快速有效对整机系统的高压金属软管进行可靠性评价。

关键词：高压金属软管 车载 声发射 评价

前言

高压金属软管（又称波纹金属软管），是一种横向波纹构造并具备一定补偿能力的金属管道元件。它广泛应用于化工石油管道、冶金、核电、电力、航天等领域。近年来，随着中国化工行业的发展，高压金属软管的设计、制造和应用水平得到了普遍提高。

作为补偿元件，高压金属软管具有自重轻、耐腐蚀、补偿能力强、耐高温高压等优点。它常被用作管道与大型设备的连接元件，以补偿地震、沉降等各种工况下大型设备与管道产生的位移偏差。同时，利用其柔韧性，高压金属软管还可以吸收设备带来的振动，从而保障设备的使用安全并延长设备的使用寿命。金属软管世界上比较有影响力的标准包括美国的EJMA《膨胀节制造商协会》[1]、日本的JIS B8277-2008《压力容器用膨胀节》[2],中国的膨胀节标准有GB 16749-1997《压力容器波形膨胀节》[3]和GB/T 12777-2008《金属波纹管膨胀节通用技术条件》[4]。

某公司制造的车载液冷源承压部件，其连接部分采用的是金属软管。由于该装备在使用时经常受颠簸、振动，同时因该承压部件为车载液冷源，受环境温度及压力影响也较大。在使用过程中多次发生金属软管接头部分渗漏，导致该装备无法正常工作，因车载液冷源承压部件中采用的金属软管接头较多，最多可达100多个，采用传统的无损探伤及氦检漏等检测方法无法有效的对该装备进行检测，同时金属软管失效往往是由于接头处受交变应力导致该处断丝后，网套无法对金属软管形成可靠的支撑。本文通过对高压金属软管的声发射监测，建立评价体系，为车载液冷源的高压金属软管提供健康评价。

1 高压金属软管的构成

高压金属软管结构普遍为单层结构，也有双层或者多层构造的，材料只要以不锈钢为主，也有碳钢、铜以及非金属材料制造的。成型方式主要以焊接、液压以及机械旋压，成型方式不同、材料及结构方式不同对于其性能的影响较大，对于金属波纹管主要有环形波纹管和螺旋形波纹管。

高压金属软管主要由金属波纹管、网套、接头这三部分组成（见图1）,其中金属波纹管是其主要部分，通过成型形成横向的规则行薄壁圆筒组合，使其具备一定的挠性，来补偿因热胀冷缩、位移变化、振动而导致的位移偏差。根据其波形可以分为环形波纹管和螺旋形波纹管。

1-接管（316L），2-护套（SUS304），3-平接头（316L），4-波纹管（316L），5-网套（SUS304）

图1 高压金属软管结构图

经过成型处理后，环形波纹管形成了圆环膜片，该膜片的外缘与凹面向心的半圆环相切并且连接在一起，而内缘则与凹面背心的半圆环相切并且连接在一起，如图2所示。通常，选用不锈钢无缝钢管作为胚料，通过轧制工艺制造而成。这种环形波纹管具备刚度小、柔性好、弹性好等特点，因此，其适用于承受压力较大、挠性较大的场合，不适用于作为较长的管路连接。

图2环形波纹管简图

网套是金属波纹管的重要组成部分，具体分为钢丝编织网套、钢带编织网套以及带状网套（见图3）。它们通常由线材直径为0.3~0.8mm，厚度为0.2~0.5mm的材料制成，并一般采用不锈钢、镀铬或镀锌材料。网套的主要功能是隔绝金属波纹管与周边物体，避免波纹管受到直接的接触，从而大大减少了由碰撞、摩擦、刮蹭导致的各种机械损伤。此外，网套还能分担金属波纹管的轴向、径向载荷，承受因管道脉动产生的振动。网套能够显著提升金属波纹管的承压能力，其强度根据网套的结构和材料不同可以提高几倍甚至几十倍。因此，一旦网罩出现断丝或者焊接缺陷，反过来也将影响金属波纹管的使用寿命。

图3常见钢带编制网套

接头是高压金属软管的重要连接部分，它负责将网套和金属波纹管牢固地连接在一起，形成一个完整的系统。同时，接头也作为接口与其他设备进行连接。一般来说，接头是由不锈钢材料制成，其结构形式根据具体需要可以分为多种，比如直管式、螺纹式、法兰式和快速式。本文所研究的高压金属软管接头就是快速式接头，其直径为Φ76mm。

2 高压金属软管失效模式

在多重因素影响下，高压金属软管承受高压、热胀冷缩、流体脉动冲击等，同时其内部也受到材料腐蚀、冲蚀等因素的影响，主要存在以下几种失效模式：

（1）金属波纹管腐蚀减薄后，其强度下降，导致高压软管的金属波纹管部分向外鼓破网套，从而造成泄漏。

（2）连接处因经常性拆卸或振动导致连接处不紧，在高压下，软管在接口处断裂。

（3）金属波纹管在清洗过程中造成氯离子残留，导致不锈钢腐蚀，尤其是点腐蚀严重，甚至出现砂眼，强度也出现降低。

（4）网套因受疲劳载荷或弯曲使用导致应力集中，容易产生断丝，甚至出现网套破损，最终导致波纹管断裂。

（5）选材不当，金属波纹管材料硬度大于网套钢丝硬度，导致高压时钢丝被压扁断裂，使得网罩破损。

金属波纹管波峰与网套之间的间隙对波纹管的位置限制起决定性作用，间隙太大，不能很好控制金属波纹管的横向位移，会导致波纹管振动不受限制；间隙太小，会降低金属波纹管的柔性，增加网套的应力。采用有限元对研究的车载液冷源的高压金属软管结构件进行模拟如图4所示，可以发现该金属管在接头处因网罩与波纹管在振动时存的间隙，容易导致接头处出现疲劳，导致接头网罩与波纹管连接处出现断丝或者焊缝开裂的情况。

图4高压金属软管有限元模拟

3 高压软管声发射评价

声发射检测技术是基于声发射物理现象，当材料或结构内部发生变化或承载时，多数材料或结构会以应力波（声发射）的形式释放能量，这通常与裂纹的产生、塑性变形等现象有关。在每根金属软管接头布置一个传感器（不限于进口或出口侧），评价模型采取先对新制的经过水压试验及氦检漏试验合格的单根高压软管（1#管）及有断丝的高压金属软管（2#管）进行声发射检测，检测过程中先加压到1.0Mpa保压10min，再升压至1.6MPa保压10min，升压速度不大于0.5MPa/min，结果见图5-8。

图5一次升压时新管的声发射信号

图6一次升压时有损伤管的声发射信号

                    图7二次升压时新管的声发射信号

                     图8二次升压时有损伤管的声发射信号

从幅值图谱中可以看出1#高压金属软管，在一次升压时撞击较多，经过保压后，二次升压时撞击较少，且保压时撞击随着时间的累积逐步减少，同时对比撞击的能量图谱，能量基本集中在500以下。另经现场确认该产品刚制作完成后，未经过去应力工艺。因此可以判断该水压试验的声发射信号主要又残余应力释放以及金属软管膨胀产生。去应力后对该管道再进行声发射评价，发现该管道在一次保压及二次保压时基本不产生声发射信号。

2#高压金属软管，在一次升压时撞击较多，在保压过程中撞击稍微降低，判断声发射信号，主要是由于金属软管与破损的网丝摩擦导致；二次升压时撞击数少于一次升压，且在龅牙时撞击并没有随着时间的累计而减少，同时对比撞击的能量图谱，能量在500以上的居多，最高的达到6000以上，说明在打压过程中可能存在新的断丝现象。

因此，可以判定一旦高压金属软管网罩出现破损，在升压及保压阶段都会出现较集中的声发射信号，且其信号的能量都比较大。

高压金属软管的声发射评价如下：声发射源的强度计算取声发射定位源区中前10个最大的能量、幅度或计数参数的平均值，幅度参数应根据衰减测量结果加以修正。如在二次保压过程中，声发射源持续出现（≥10）且不收敛，或单个声发射信号幅度大于80dB，且能量大于500以上，则认为该高压金属软管存在损伤。

4 结论

高压金属软管是化工、航天、核电领域的常用部件，本文通过对一液冷源承压部件用的高压金属软管在实验室进行声发射比对及采样，并进行评定结果如下：

（1）高压金属软管的参与应力对声发射信号有一定的干扰，但可以通过多次打压消应力的方式排除；

（2）对不存在缺陷的高压金属软管在声发射检测过程中基本没有持续的声发射信号源；

（3）声发射检测对存在断丝的高压金属软管具有高效的检出能力；

（4）声发射检测可用于系统的检测，一次打压可检测整套系统的高压金属软管，不需要拆卸，效率远超常规的无损检测。

参考文献：

[1]Standards of the expansion joint manufacturers association (EJMA), INC. (6th end.),White Plains, New York,1993。

[2] JIS B8277-2008 Expansion Joint for Pressure Vessels[S].Japanese Industrial Standards Committee, 2008.

[3] GB 16749-1997压力容器波形膨胀节[S].全国压力容器标准化技术委员会，1997.

[4] GB/T 12777-2008金属波纹管膨胀节通用技术条件[S].中国标准出版社，2008.