海洋气候条件下冷凝水对金属软管失效的影响分析

0 引言

在舰船、海洋装备和码头设备中，不锈钢金属软管常安装于气液管道上作为补偿元件，以消除振动、冲击对管道系统的影响，降低噪声；补偿温度变化、位移时管道发生的尺寸和位置变化，避免产生外加应力；或者补偿管道连接的对接偏差，改善管道安装工艺性。

不锈钢金属软管一般由不锈钢波纹管、不锈钢丝网套、管路接头等构成，采用钎焊或氩弧焊焊接制成。波纹管为不锈钢金属软管的核心元件，起密封和补偿作用；网套为承压元件，金属软管承受内压后，网套张紧而形成承压能力。

金属软管应用于舰船高压空气压缩机排气口与舰上管道连接中，曾发生软管与管道连接的一端破裂失效的故障。

金属软管失效一般由振动、压力循环、温度变化、频繁位移等导致的应力疲劳以及可能存在的腐蚀破坏引起。为了提高金属软管在海洋气候条件下的可靠性，防止类似故障的发生，对金属软管的失效机理进行分析。

1 失效机理分析

1.1 故障情况

图1为金属软管在管道系统中的安装示意图。

图1 金属软管安装示意图

软管的失效部位为靠近管道系统接口一端的金属软管焊接环处，故障现象为不锈钢网套和波纹管完全断裂。失效的金属软管安装于空气压缩机Ⅳ级排气口与管道系统之间。工作环境为舰船机舱，环境空气为湿热的海洋大气，管道表面常有冷凝水凝聚。

1.2 失效现象

软管断裂处为其所处安装位置的低端，断裂发生在压缩机增压过程。断裂发生时软管的2层不锈钢网套首先断裂，随后波纹管拉长而破裂。检查断裂处及周边可见明显的锈斑，不锈钢网套断口亦有绣斑。波纹管断裂面似崩断产生的切口。

为了分析软管失效的原因，对其破裂处进行低倍显微分析。在显微镜下清晰地看到网套的不锈钢钢丝几乎完全被锈蚀，其中一根锈蚀已过直径的一半，另一半则为拉断的断痕；可见网套的不锈钢钢丝大部分锈蚀断裂，其中有2根为明显拉断断痕。

综合断面形态，可见网套的绝大部分不锈钢丝均受到不同程度的锈蚀，所能承受的拉应力大幅度降低；仅有少部分网套的不锈钢丝完全拉断。作为承压元件的不锈钢丝网套，只有所有钢丝都保持张紧一致，且能承受的拉应力相同的状态下，才能保证承受规定的内压力。因此，在部分钢丝锈蚀抗拉能力降低的情况下，在压力增加过程从最薄弱的钢丝断裂开始，将会导致网套快速断裂失效而最终发生波纹管的崩溃。

对相应部位的金属软管全面检查发现，与失效软管安装形式相同的金属软管均存在不同的锈蚀情况，而软管与压缩机排气口连接一端表面状态完好，无锈蚀痕迹。

1.3 失效机理分析

结合所观察到的失效现象，软管两端均处于相同的振动和温度场中，然而只是处于较低位置的一端发生断裂，可见振动和温度变化等应力不是引起软管失效的主要因素。而在软管断裂处发现了严重的腐蚀痕迹，因此，腐蚀破坏应是软管失效的主要原因。

观察压缩机相关管道发现其表面有冷凝水，但水平安装的管道上不存在冷凝水积聚现象；而垂直或斜角较大的管道连接接头处均有冷凝水积聚现象，尤其是金属软管存在阶状结构的接头焊接环、网套、波纹管焊接部位。机舱处于高温、湿热的海洋大气环境，空气中含有大量的氯离子。金属管道表面温度相对较低，潮湿的气体易在其表面凝结形成凝露。金属软管焊接部位长期浸渍于富含氯离子冷凝水中，腐蚀现象渐次加重，最终网套钢丝不能抵抗压力增加所产生的拉应力而崩溃。

组成金属软管的波纹管、网套和接头均为奥氏体不锈钢材料。奥氏体不锈钢表面所具有的钝化膜，使其在大气中具有优良的耐蚀性，不易产生点蚀和缝隙腐蚀，但在处于氯化物或其它卤素离子介质中，常易发生点蚀。Cl-破坏不锈钢表面的钝化膜，因此不锈钢在海水中极易发生严重的点蚀和缝隙腐蚀，这种破坏总是从钝化膜薄弱处开始。

小口径不锈钢金属软管一般采用银钎料钎焊焊接。文献指出，NaCl水溶液浸泡试验中，钎焊区的耐蚀性高于母材，且其腐蚀速率略低于母材。低倍显微观察到的断面状态与文献所述相吻合。

1.4 结论和措施

分析认为，机舱内高温、湿热的海洋性大气在金属管道上产生凝结现象，冷凝水中富含氯离子。在垂直或大斜角安装的管道上，冷凝水持续流向软管低端积聚，而冷凝水积聚处恰好又易于产生腐蚀，由于焊接而使钝化膜发生损坏的薄弱处。富含氯离子的冷凝水导致了局部腐蚀。随时间的推移当腐蚀达到一定程度时，网套的不锈钢丝所能承受的拉应力不能抵抗承压所需的拉应力时，失效发生。因此，软管失效故障产生的主要因素是冷凝水在软管局部积聚而导致腐蚀发生。

基于上述分析，为改善金属软管的环境适应性，提高金属软管的可靠性，可采取下列措施予以预防：

1）在管道设计上合理布置设备和管道，尽量实现金属软管的水平安装。

2）Mo、N元素可提高不锈钢的抗点蚀和缝隙腐蚀能力，在海洋性环境应用时可采用含Mo、N的不锈钢材料；Mn、Ti、Nb元素降低不锈钢的抗点蚀能力，应避免采用。

3）在金属软管外部增加防护层，如金属软管表面增加硫化橡胶层；金属软管外套热缩性套管，使金属软管与外界环境隔离。

2 结语

金属软管在湿热的海洋性环境条件下使用，含氯离子的冷凝水积聚将导致严重的腐蚀产生。若金属软管垂直和大斜角安装，则冷凝水将在下端接头焊接处积聚。随着时间的推移腐蚀加剧，当金属软管网套不锈钢钢丝的抗拉能力不能抵抗承压所需的拉应力时，不锈钢丝崩断使金属软管失去承压能力，最终导致波纹管崩断而失效。因此，含氯离子的冷凝水导致的腐蚀是金属软管故障的主要因素。为了提高金属软管使用的可靠性，应在管道布局设计、金属软管材料选用上采取措施，也可采用新工艺，如增加硫化橡胶层或热缩性套管防护层等。