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1、供热管网波纹管补偿器爆裂破损原因分析及解决方法闻作祥 吴星 北京市热力集团 2003-05-30 本文提要：北京市集中供热管网，从 2000 年 3 月底至 5 月，二个月期间相继发生供热干线波纹管爆裂破损 问题，使人们引发了对波纹管补偿器如何正确设计、加工及运行管理等诸多问题的思考。本文分析了破损原 因，提出了解决的方法，并对如何看待波纹管补偿器的问题提出全新诠释。1问题的提出波纹管补偿器作为一种新型补偿设备，从 80 年末期开始使用，90 年代得以大力推广。作为一种补偿 性能良好，使用维护简单的补偿器，特别是在代替以往套筒式补偿器方面，得到大家的认可，但随着其使用 年限与范围的增加、扩展，
2、特别是在供热系统中波纹管爆裂破损事故的不断发生，使得我们必须站在新的高 度，重新认识波纹管补偿器。下面三图是北京市集中供热系统波纹管补偿器爆损的情况。2001年3月30日，北京国华热电厂供热干线的朝阳线16号DN1000铰接波纹管（本文以下简称A波 纹管）突然发生爆裂，致使国华热电厂停泵，供热主干线中断正常运行三个月。参见图1。图1 A 波纹管爆损图2001 年 5 月 14 日，北京石景山热电厂供热主干线之一的西三环6 号 DN800 铰接波纹管（本文以下简 称 B 波纹管）发现已严重破损，四层中已有三层开裂，不能正常运行，被迫中断运行。参见图2。图 2 B 波纹管破损图2001年5月23日
3、，北京华能热电厂蒸汽主干线DN1000波纹管补偿器（本文以下简称C波纹管），发生了大量蒸汽泄漏，华能热电厂被迫调整工况，停止蒸汽外供，蒸汽干线停汽三周。参见图3。图 3 C 波纹管失稳图接连不断的问题，引起供热界广大技术人员的关注，波纹管补偿器在目前供热管网中被广泛使用，仅 北京市集中供热网中就有三千多个，特别是在大口径的供热主干线上，波纹管是目前唯一的补偿设备，一旦 发生问题后果十分严重，必须引起高度重视。本文试分析波纹管爆裂破损各种原因，及波纹管补偿器在设计、 生产、施工和运行管理各方面存在的问题，并在此基础上提出解决问题的方法。2 原因分析事故原因我们从6 个方面进行了分析，试述如下：2
4、1 外观观察A 和 B 波纹管的外观观察呈现一样的特征，波纹管外层的外壁有少量腐蚀产物，但仍然保持银白色的金属光泽，裂纹很细，走向各异。在波纹管的第一层内壁以及第二、三层的内外壁有大量腐蚀产物附着，不锈钢薄板已经完全失去了金属光泽，坠落地面已无金属声响，层间堵塞大量腐蚀产物已无结合力，第四层外表面有少量腐蚀产物和小裂纹，内表面附着 均匀的薄水垢，无腐蚀产物，表面呈银灰色。裂纹情况与腐蚀产物相近，以第二、三层裂纹最多、最粗，第一层其次，第四层相对较少、较细。裂 纹扩展方向具有发散特征，向各个方向开裂。以上观察我们可以判断：波纹管的腐蚀开裂应是外层逐层向内各层波纹管发展的，只是各层波纹管腐 蚀破坏
5、在时间上的先后关系，才出现各层腐蚀开裂程度上的明显差异。腐蚀来自波纹管外，在进入波纹管层 间后，连续并加快了腐蚀的产生。C 波纹管内外各层均无腐蚀，但已严重变形，经着色分析未发现层间进汽现象。由此我们可以排除腐 蚀及层间进汽原因而产生的破坏。22 腐蚀产物分析从波纹管一至四层裂纹及断口处取腐蚀产物，用X射线荧光分析仪，在实验条件下查明，腐蚀产物中 主要元素为o, Fe, Cr，Ni, Si, Al, Mg等，所有腐蚀产物均含有Cl元素。对腐蚀产物作能谱分析，其结 果参见表 1。表 1 波纹管第 1 层裂纹及断口处腐蚀产物能谱分析结果1234外层内层外层内层B外层“匚1.494.224.241.
6、120.82CI0.432.470.295.530.721.290.352.581.330.471.072.351.250.6712.1512.153.4424.294.0216.466.459.773.391.9331.131.1111.729.890.755.690.17Si3.812.883.313.761.9017.514.111.760.619.011.351.350.241.152.380.23S1.660.820.390.310.310.984.112.2110.6350.881.293.545.671.500.676.162.024.132.830.571.111.01Ca2.
7、374.061.873.421.023.281.34Cr22.822.5860.275.047.6520.2827.3517.72从表1可以看出，从外层至内层均有Cl元素的分布及富集，并大大超出了导致304不锈钢应力腐蚀开裂临界值的Cl含量(500ppm=0.050%)可以认为在含有Cl的环境中，再加上温度，应力及材质因素，构成了 304材质应力腐蚀开裂（SCC）方面的很大敏感性。随着C1浓度增加，不锈钢的应力腐蚀敏感性增加，能 谱分析测到的氯元素重量百分比最低为4300ppm,最高为120000ppm,已经完全具备了发生应力腐蚀的条件。23 材质及微观金相分析对波纹管基材的化学成分分析结果如
8、表2。表 2 开裂波纹管基材化学万分分析%SiMnCrNiFe开裂波纹管基材304SS(AISI)0Crl9Ni9(GB1220-92)0.0540.080.080.551.01.01.012.02.00.00350.003017.988.070.00350.003500300. 003018.00 20.0018.00 20.008.0010.508.0010.50对金相试样我们同时进行了扫描电镜分析，对这两项的分析表明：2. 3. 1.材质是符合304不锈钢标准的，但Ni元素含量接近标准成分的下限，降低了 304不锈钢奥 氏体组织的稳定性，外力将导致马氏体相变。2. 3. 2.逐层金相组织
9、观察均发现形变马氏体。2. 3. 3.金相裂纹在微观上以穿晶为主，是典型的应力腐蚀裂纹特征，应力腐蚀破裂是引起波纹管腐 蚀开裂失效的重要原因。2. 4 应力分析应力的存在是导致应力腐蚀开裂的必要条件之一，应力的来源主要有：波纹管加工成型过程中产生的 形变应力和残余应力；在服役期间的工作应力；装配不当导致的装配应力过大；腐蚀产物引起的楔入应力。采用非线性有限元对设计和工作工况下的波纹管作应力分析。波纹管变形应力分布状况如图4所示。图 4 波纹管变形及应力分布状况图波纹管的最大应力区出现在角位移平面内即波纹管的凹边A区域或凸边B区域上，将各种工况条件下 波纹管角位移平面内凸侧最大拉力o作一对比，如
10、表3所示BMAX表3四种工况下波纹管的8bmax值内压P/MPa角位移6/MPaBMAX设计工况1.69。543.14工作工况0.867。446.20.868。535.70.869。638.6以上分析表明，波纹管总体应力水平虽然很高，仍不足以导致波壳的爆裂。但由在波纹管层间的大量 腐蚀产物体积远远大于原有金属的体积，这样在裂纹尖端便产生了不可忽视的楔入应力，有效地促进了应力 腐蚀裂纹的发生和发展。25 设计运行参数分析2.5.1 A、B 波纹管原始设计参数：设计压力：1.6Mpa设计温度：350C额定角位移：9 （A、B波纹管）角位移刚度：3562 Nm/许用疲劳寿命： 1000次波纹管材质：
11、 304 不锈钢单层厚度： 1.2mm从波纹管服役期间运行参数来看，A、B波纹管是热水管网，运行参数远小于设计参数。252 C 波纹管原始设计参数设计压力： 1.6Mpa设计温度： 300oC轴向补偿量：270mm许用寿命： 1000 次波纹管材料： 316经重新核实计算，该波纹管补偿器轴距80米，实际运行中最高温度达到290 oC以上，补偿量已超过设 计补偿量。另外，设计补偿器已临近产品补偿量极限，也是重要原因之一。26 工程情况分析B 波纹管安装示意如图 5 所示。兴117m3二4牛波r &个液V105m142ni二弓6：个波y7图5 B 波纹管安装示意图经工程现场与设计图纸核实，发现有两
12、大缺陷：第一是设计的两个绞接型波纹管均为6 波。但工程实 际中使用的是一个4 波波纹管，另一个是6 波波纹管，设计与工程实际不符；第二是固定支架未安装卡板。经分析，这两个缺陷是B波纹管破损的重要原因，虽然经计算，在固定支架无卡板时，仍能补偿相应 的热伸长量，但补偿量已接近极限，同时，由于两个波纹管型号不一， 4 波波纹管的刚度较小，致使应力主 要集中在4波波纹管，造成在相同使用环境（cl-浓度相同）下，4波波纹管发生破损。C 波纹管在施工安装过程中，考虑各方面因素未预拉伸，致使波纹管运行中的安全系数大大下降。27 分析结论2. 7. 1 A、B波纹管的爆损是由应力腐蚀造成的，腐蚀主要来源于外部
13、的cl元素。A波纹管的破损 主要来自环境。而对B波纹管，由于增加了施工所带来的不利影响而加快了应力腐蚀。cl-元素主要来自两部分，一是流入管道的天然水、化雪盐水及污水，二是施工中所用含Fecl3的防水剂、 防冻剂等。2. 7. 2 加工过程中所产生的形变马氏体不仅对材料的组织和结构，而且对材料力学性能和腐蚀行为 产生明显影响。形变马氏体建立了一条对氯脆敏感途径，成为应力腐蚀裂纹扩展的活性通道。2. 7. 3 304不锈钢Ni元素含量影响组织的稳定性，易导致形变马氏体产生。2. 7. 4 应力是腐蚀的条件，特别是腐蚀产物的楔入应力，加快了腐蚀的速度。2. 7. 5 位移应力对波纹管设计的影响不容
14、忽视，另外，运行参数过高，安装时未预拉伸及设计参数接近设备极限，都是重要影响因素。3解决方法31 产品设计、加工方面3. 1. 1改变以往304不锈钢材，选用耐腐蚀的超低碳奥氏体不锈钢（如316L）。312 充分认识加工过程形变马氏体对波纹管带来的各方面的影响，尽可能减少形变马氏体的生成。 为降低加工残余应力和受载应力，推广首选低波高，大波距的波纹管。3. 1. 3选择涂层保护设计，涂层保护可以考虑防腐薄膜，外覆耐蚀含金（如Incoloy800或825）、高 品质涂装设计，也可考虑电化学保护及改变环境氯离子含量等方法。3. 1. 4 改进产品设计，重新认识多层和单层波纹管产品的优劣。并增加直观检查波纹管外腐蚀的渠 道和方法，尽量减少突发
