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    波紋管補償器經(jīng)常出現問(wèn)題探索

      波紋管補償器之所以能夠在許多行業(yè)中得到應用,除具有良好的補償能力之外,可靠性高是主要原因。其可靠性是通過(guò)設計、制造、安裝、運行管理等多個(gè)環(huán)節來(lái)保證的,任何一個(gè)環(huán)節的失控都會(huì )導致補償器壽命的降低甚至失效。作者經(jīng)過(guò)多年統計發(fā)現,造成波紋管補償器失效的原因:設計占10%,制造廠(chǎng)家偷工減料占50%,安裝不符合設備說(shuō)明要求占20%,其余由運行管理不當引起。

      2 波紋管補償器的失效類(lèi)型及原因分析

      波紋管的失效在管線(xiàn)試壓和運行期間均有發(fā)生。管線(xiàn)試壓時(shí)出現問(wèn)題主要有三種類(lèi)型:由于管系臨時(shí)支撐不當,或管系固定支架設置不合理,導致支架破壞,波紋管過(guò)量變形而失效;由于波紋管設計所考慮的壓力或位移安全富裕度不夠,管線(xiàn)試壓時(shí)波紋管產(chǎn)生失穩變形失效;補償器制造質(zhì)量問(wèn)題,制造廠(chǎng)偷工減料,5層不銹鋼私自改為3層或更少。

      波紋管在運行期間的失效主要表現為腐蝕泄漏和失穩變形兩種形式,其中以腐蝕失效居多。從腐蝕失效波紋管的解剖分析發(fā)現,腐蝕失效通常分點(diǎn)腐蝕穿孔和應力腐蝕開(kāi)裂,其中氯離子應力腐蝕開(kāi)裂約占整個(gè)腐蝕失效的95%。波紋管失穩有強度失穩和結構失穩兩種類(lèi)型,強度失穩包括內外壓波紋管平面失穩和外壓波紋管周向失穩;結構失穩是內壓波紋管補償器的柱失穩。
    設計疲勞壽命與穩定性及應力腐蝕的關(guān)系

      波紋管的設計主要考慮耐壓強度、穩定性和疲勞性能等三個(gè)方面的因素。雖然國家標準和美國EJMA標準對這幾方面的計算和評定都有明確的規定,但從多年的應用實(shí)踐和波紋管失效分析中發(fā)現,標準中給出的關(guān)于穩定性的計算和評定方法不夠全面,且疲勞壽命也僅給出了比較粗的界限范圍(平均疲勞壽命在 103~105適用)。有時(shí)一個(gè)完全符合標準要求的產(chǎn)品,在實(shí)際使用時(shí)也會(huì )出現一些問(wèn)題。如內壓軸向型補償器預變位狀態(tài)在壓力試驗時(shí)波紋管易產(chǎn)生平面失穩,大直徑外壓軸向型補償器全位移工作狀態(tài)波紋管易產(chǎn)生周向失穩,小直徑復式拉桿型補償器、鉸鏈型補償器全位移工作狀態(tài)易產(chǎn)生柱失穩。波紋管過(guò)大的變形不僅對其穩定性造成影響,還會(huì )為應力腐蝕提供有利的環(huán)境條件。

      波紋管疲勞壽命與其綜合應力 波紋管的補償量取決于其疲勞壽命,疲勞壽命越高,波紋管單波補償量越小。為了降低成本,提高單波補償量,有些生產(chǎn)廠(chǎng)家將波紋管的許用疲勞壽命降得很低,這樣會(huì )導致由位移引起的波紋管子午向彎曲應力很大,綜合應力很高,大大降低了波紋管的穩定性。表1給出了無(wú)加強U形波紋管許用疲勞壽命與子午向綜合應力及單波補償量之間的關(guān)系。

    表1 許用疲勞壽命與綜合應力及單波補償量關(guān)系
    許用疲勞壽命[N]/次 5000 3000 2000 1000 500 200 100
    綜合應力σt/MPa 902 988 1066 1224 1417 1741 2051
    單波位移e/% 70 80 90 100 120 150 175

      注:(1)綜合應力為由位移和壓力引起的波紋管子午向綜合名義應力;(2)波紋管平均疲勞壽命N=10[N];(3)單波位移給出的是以許用壽命1000次為參照的參考值。
    由表1可以看出,降低疲勞壽命可以大幅度地提高波紋管單波位移,但同時(shí)波紋管綜合應力也有大幅度地提高,這必將對波紋管的強度和穩定性造成較大的影響。

      波紋管的綜合應力與其耐壓強度 由標準中給出的波紋管平面穩定性和周向穩定性的計算方法和評定標準可以看出,二者反映的均為強度問(wèn)題。當波紋管設計的許用壽命較低時(shí),不僅其子午向綜合應力較高,環(huán)向應力也比較高,使波紋管局部很快進(jìn)入塑性變形,導致波紋管失穩。
    對于內壓波紋管,位移應力在波紋管波峰和波谷處形成塑性鉸,再加上壓力應力,波紋管很快產(chǎn)生平面失穩。這就是低疲勞壽命波紋管在位移條件下平面失穩壓力遠低于高疲勞壽命的波紋管的根本原因。例如在預變位狀態(tài)下,即波紋管位移量為許用值的1/2時(shí),一個(gè)許用疲勞壽命為200次的波紋管,尚未達到其允許設計壓力時(shí),已經(jīng)產(chǎn)生平面失穩;許用疲勞壽命為1000次的波紋管,達到設計壓力時(shí),波紋管處于平面穩定狀態(tài),達到1.5倍設計壓力時(shí),波紋管處于臨界失穩狀態(tài);許用疲勞壽命為2000次的波紋管達到設計壓力1.5倍時(shí),波紋管仍處于平面穩定狀態(tài)。
    從外壓波紋管縱向剖面看,相當于一個(gè)受壓力的拱梁,工作時(shí)波紋管處于拉伸狀態(tài),相當于拱梁降低了拱高,其抗失穩的能力自然降低。當波紋管單波位移過(guò)大時(shí),波紋平直部分傾斜,使得波紋管波峰直徑有縮小的趨勢,但波峰圓環(huán)直徑是確定的,為了協(xié)調變形,就會(huì )產(chǎn)生波峰塌陷,波紋管周向失穩。在國內外相應的標準中,關(guān)于位移對波紋管外壓周向穩定性的影響均未涉及,有待于深入探討。
    綜上所述,雖然至今為止在熱力管網(wǎng)的應用過(guò)程中尚未發(fā)現由疲勞而引起的破壞,但波紋管過(guò)低的設計疲勞壽命,將會(huì )導致災難性的后果。
    補償器位移與其柱穩定性 對于復式拉桿型和鉸鏈型補償器,橫向位移是由波紋管角變位引起中間管段傾斜實(shí)現的。當波紋管產(chǎn)生角變位時(shí),波紋管凸出側承壓面積大于凹陷側承壓面積,導致補償器附加了一個(gè)橫向力,較之軸向型補償器更易產(chǎn)生柱失穩。顯然波紋管單波位移越大,補償器橫向位移越大,越易產(chǎn)生柱失穩。
    波紋管補償器的可靠性
    波紋管補償器的可靠性是由設計、制造、安裝及運行管理等多個(gè)環(huán)節構成的?煽啃砸矐搹倪@幾個(gè)方面進(jìn)行考慮。
    材料選擇 對用于供熱管網(wǎng)的波紋管的選材,除應考慮工作介質(zhì)、工作溫度和外部環(huán)境外,還應考慮應力腐蝕的可能性、水處理劑和管道清洗劑對材料的影響等,并在此基礎上結合波紋管材料的焊接、成型以及材料的性能價(jià)格比,選出經(jīng)濟實(shí)用的波紋管制作材料。

      一般情況下,選用波紋管的材料應滿(mǎn)足下列條件:(1)良好的塑性,便于波紋管的加工成形,且能通過(guò)隨后的處理工藝(冷作硬化、熱處理等)獲得足夠的硬度和強度。(2)彈性極限、抗拉強度和疲勞強度,保證波紋管正常工作。(3)良好的焊接性能,滿(mǎn)足波紋管在制作過(guò)程中的焊接工藝要求。(4)較好的耐腐蝕性能,滿(mǎn)足波紋管在不同環(huán)境下工作要求。大多數生產(chǎn)廠(chǎng)家都采用奧氏體不銹鋼,如材料牌號為0Cr18Ni9(相當于304)、00Cr19Ni10(相當于304L)、0Cr17NiMo2(相當于316)、00Cr17Ni4Mo2(相當于316L)。為了提高波紋管的耐蝕性,現供熱管網(wǎng)波紋管的用材多選用316或316L,這兩種材料用于熱力管網(wǎng)應該是性能價(jià)格比較為良好的材料。

      對于地溝敷設的熱力管網(wǎng),當補償器所處管道地勢較低時(shí),雨水或事故性污水會(huì )浸泡波紋管,應考慮選用耐蝕性更強的材料,如鐵鎳合金、高鎳合金等。由于此類(lèi)材料價(jià)格較高,在制造波紋管時(shí),可以考慮僅在與腐蝕性介質(zhì)接觸的表面增加一層耐蝕合金。
    疲勞壽命設計由波紋管補償器的失效類(lèi)型及原因分析可以看出,波紋管的平面穩定性、周向穩定性及耐腐蝕性能均與其位移量即疲勞壽命相關(guān)。過(guò)低的疲勞壽命將會(huì )導致波紋管穩定性及耐蝕性能下降。根據試驗和使用經(jīng)驗,用于供熱工程的波紋管疲勞壽命應不小于1000次。
    大多數波紋管的失效是由外部環(huán)境腐蝕造成的,因此在進(jìn)行補償器的結構設計時(shí),可考慮隔絕外部腐蝕介質(zhì)與波紋管的接觸。如對于外壓軸向型補償器可在出口端環(huán)與出口管之間增加填料密封裝置,其作用相當于套筒補償器,既可抵擋外部腐蝕介質(zhì)的侵入,又給波紋管補償器增加了一道安全屏障,即使波紋管破壞,補償器還可以起到補償作用并避免波紋管失效。

      波紋管不能承重,應單獨吊裝;除設計要求預拉伸或冷緊的預變形量外,嚴禁用使波紋管變形的方法來(lái)調整管道的安裝偏差;安裝過(guò)程不允許焊渣飛濺到波紋管表面和受到其他機械性損傷;波紋管所有活動(dòng)元件不得被外部構件卡死或限制其活動(dòng)部位正常工作;水壓試驗用水須干凈、無(wú)腐蝕性,對奧氏體不銹鋼材質(zhì)應嚴格控制水中氯離子含量不超過(guò)25×10-6,并應及時(shí)排盡波紋中的積水等。

      補償器存在的問(wèn)題主要有波紋管的穩定性及腐蝕。通過(guò)合理的設計波紋管波形參數和疲勞壽命、安裝正確及管系應力分析完善等措施,可以解決波紋管的穩定性問(wèn)題。對于腐蝕問(wèn)題,可以通過(guò)兩種方式解決:

        (1)合理的波紋管選材和補償器結構設計,阻斷腐蝕源。

        (2)加強小室積水管理,從根本上解決腐蝕問(wèn)題。

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