淺析波紋管補償器失效原因

1 前 言

波紋管補償器之所以能夠在許多行業(yè)中得到廣泛應用，除具有良好的補償能力之外，高可靠性是主要原因。

其可靠性是通過設計、制造、安裝、運行管理等多個環(huán)節(jié)來_的，_一個環(huán)節(jié)的失控都會導致補償器壽命的降低甚至失效。

作者經過多年統計發(fā)現，造成波紋管補償器失效的原因：設計占10%，制造廠家偷工減料占50%，安裝不符合設備說明要求占20%，其余由運行管理不當引起。

2 波紋管補償器的失效類型及原因分析

2.1 失效類型

波紋管的失效在管線試壓和運行期間均有發(fā)生。

管線試壓時出現問題主要有三種類型：由于管系臨時支撐不當，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，管線試壓時波紋管產生失穩(wěn)變形失效；補償器制造質量問題，制造廠偷工減料，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(wěn)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，腐蝕失效通常分點腐蝕穿孔和應力腐蝕開裂，其中氯離子應力腐蝕開裂約占整個腐蝕失效的95％。

波紋管失穩(wěn)有強度失穩(wěn)和結構失穩(wěn)兩種類型，強度失穩(wěn)包括內外壓波紋管平面失穩(wěn)和外壓波紋管周向失穩(wěn)；結構失穩(wěn)是內壓波紋管補償器的柱失穩(wěn)。

2.2 設計疲勞壽命與穩(wěn)定性及應力腐蝕的關系

波紋管的設計主要考慮耐壓強度、穩(wěn)定性和疲勞性能等三個方面的因素。

雖然_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(guī)定，但從多年的應用實踐和波紋管失效分析中發(fā)現，標準中給出的關于穩(wěn)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）。

有時一個_符合標準要求的產品，在實際使用時也會出現一些問題。

如內壓軸向型補償器預變位狀態(tài)在壓力試驗時波紋管易產生平面失穩(wěn)，大直徑外壓軸向型補償器全位移工作狀態(tài)波紋管易產生周向失穩(wěn)，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)易產生柱失穩(wěn)。

波紋管過大的變形不僅對其穩(wěn)定性造成影響，還會為應力腐蝕提供有利的環(huán)境條件。

2.2.1 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，有些生產廠家將波紋管的許用疲勞壽命降得很低，這樣會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(wěn)定性。

表1給出了無加強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系。

表1 許用疲勞壽命與綜合應力及單波補償量關系注：

（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(wěn)定性造成較大的影響。

2.2.2 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(wěn)定性和周向穩(wěn)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題。

當波紋管設計的許用壽命較低時，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入塑性變形，導致波紋管失穩(wěn)。

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，波紋管很快產生平面失穩(wěn)。

這_是低疲勞壽命波紋管在位移條件下平面失穩(wěn)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，一個許用疲勞壽命為200次的波紋管，尚未達到其允許設計壓力時，已經產生平面失穩(wěn)；許用疲勞壽命為1000次的波紋管，達到設計壓力時，波紋管處于平面穩(wěn)定狀態(tài)，達到1.5倍設計壓力時，波紋管處于臨界失穩(wěn)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，波紋管仍處于平面穩(wěn)定狀態(tài)。

從外壓波紋管縱向剖面看，相當于一個受壓力的拱梁，工作時波紋管處于拉伸狀態(tài)，相當于拱梁降低了拱高，其抗失穩(wěn)的能力自然降低。

當波紋管單波位移過大時，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，為了協調變形，_會產生波峰塌陷，波紋管周向失穩(wěn)。

在國內外相應的標準中，關于位移對波紋管外壓周向穩(wěn)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的應用過程中尚未發(fā)現由疲勞而引起的破壞，但波紋管過低的設計疲勞壽命，將會導致災難性的后果。

2.2.3 補償器位移與其柱穩(wěn)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現的。

當波紋管產生角變位時，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橫向力，較之軸向型補償器更易產生柱失穩(wěn)。

顯然波紋管單波位移越大，補償器橫向位移越大，越易產生柱失穩(wěn)。

3 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環(huán)節(jié)構成的。

可靠性也應該從這幾個方面進行考慮。

3.1 可靠性設計

3.1.1 材料選擇 對用于供熱管網的波紋管的選材，除應考慮工作介質、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格比，_出經濟實用的波紋管制作材料。

一般情況下，選用波紋管的材料應滿足下列條件：

（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）高彈性_、抗拉強度和疲勞強度，_波紋管正常工作。

（3）良好的焊接性能，滿足波紋管在制作過程中的焊接工藝要求。

（4）較好的_性能，滿足波紋管在不同環(huán)境下工作要求。

大多數生產廠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，現供熱管網波紋管的用材多選用316或316L，這兩種材料用于熱力管網應該是性能價格比較為優(yōu)良的材料。

對于地溝敷設的熱力管網，當補償器所處管道地勢較低時，雨水或事故性污水會浸泡波紋管，應考慮選用耐蝕性_的材料，如鐵鎳合金、高鎳合金等。

由于此類材料價格較高，在制造波紋管時，可以考慮僅在與腐蝕性介質接觸的表面增加一層耐蝕合金。

3.1.2 疲勞壽命設計由波紋管補償器的失效類型及原因分析可以看出，波紋管的平面穩(wěn)定性、周向穩(wěn)定性及_性能均與其位移量即疲勞壽命相關。

過低的疲勞壽命將會導致波紋管穩(wěn)定性及耐蝕性能下降。

根據試驗和使用經驗，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，因此在進行補償器的結構設計時，可考慮隔絕外部腐蝕介質與波紋管的接觸。

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。

3.2 _安裝質量

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調整管道的安裝偏差；安裝過程不允許焊渣飛濺到波紋管表面和受到其他機械性損傷；波紋管所有活動元件不得被外部構件卡死或限制其活動部位正常工作；水壓試驗用水須干凈、無腐蝕性，對奧氏體不銹鋼材質應嚴格控制水中氯離子含量不_25×10-6，并應及時排盡波紋中的積水等。

4 結束語

補償器存在的問題主要有波紋管的穩(wěn)定性及腐蝕。

通過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(wěn)定性問題。

對于腐蝕問題，可以通過兩種方式解決：

（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題。