供热管网波纹管补偿器爆裂破损原因分析及解决方法

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

2、到大家的认可，但随着其使用年限与范围的增加、扩展，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。

3、             图2   B波纹管破损图 2001年5月23日，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

4、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        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

5、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

6、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1 2 3 4 外层 内层 外层 内层 层 内层 外层 内层 CI 1.49 0.43 1.29 1.07 4.22 2.47 0.35 2.35 4.24 0.29 2.58     1.12 5.53 1.33 1.25 12.15 12.15 &#

7、160;   0.82 0.72 0.47 0.67   Si 3.44 31.13 3.81 24.29 1.11 2.88 4.11 4.02 11.72 3.31   16.46 9.89 3.76 1.76 6.45 9.77 0.75 1.90 3.39 5.69 17.51 1.93 0.17 S 0.61 1.66 9.01 0.82 1.35 0.39 1.35 0.31 0.24 1.15 0.31 2.38 0.98 4.11 0.23 Ca 2.21 6.16 2.37 10.63 2.02 50.88 4.13 4.06 1.29 2.83

8、 1.87 3.28 3.54 5.67 0.57 1.50 1.11 3.42 0.67 1.01 1.02 1.34 Cr 22.82 2.58 60.27 51.11 5.04 7.65 20.28 34.53 44.25 27.35 17.72 17.87 18.23 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Cl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

9、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表2。 表2  开裂波纹管基材化学万分分析%   C Si Mn P S Cr Ni Fe 开裂波纹管 基材 0.054 0.55 1.01 0.0035 0.0030 17.98 8.07 余量 304SS (AISI) 0.08 1.0 2.0 0.0035     0。0030 18.0020.00 8.0010.50 余量 0Cr19Ni9 (GB1220-92) 0.08 1.0 2.0 0

10、.0035 00030 18.0020.00 8.0010.50 余量 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：231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。 232逐层金相组织观察均发现形变马氏体。 233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。 24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

11、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BMAX作一对比，如表3所示 表3   四种工况下波纹管的BMAX值   内压P/MPa 角位移 BMAX/MPa 设计工况 1.6 9o 543.14 工作工况 0.86 7o 446.2 0.86 8o 535.7 0.86 9o 638.6 以上分析表明，

12、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：350 额定角位移：9°（A、B波纹管） 角位移刚度：3562N·m/° 许用疲劳寿命：1000次 波纹管材质：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 &

13、#160;  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。   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

14、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 271A、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，

15、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。 272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。 273304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。 274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。 275位移应力对波纹管设计的影响不容忽视，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

16、法 31产品设计、加工方面 311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。 313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。 314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，尽量减少突发事故发生。同时，可以考虑在外压式波纹管外增加密封装置，一来可以减少介质中

17、的cl-腐蚀，二来可以减少突发事故的损失。 315重新研究并确立在一定Cl含量条件下的波纹管寿命，提出在不同环境中波纹管合理的使用周期。在无腐蚀条件下对波纹管研究的基础上，重点研究应力与腐蚀的关系，找到在一定cl-浓度下应力最佳值。 316适当提高波纹管的安全系数，研究位移应力对波纹管产品影响，提高抵御意外事件的能力。 3. 2 工程设计施工方面 321设计人员必须对波纹管补偿器有足够的了解和认识，这是正确选择和使用好波纹管的前提条件。 322施工必须遵守设计图纸要求，并严格工程质量检测程序，确保工程质量。 323施工中严禁使用含cl-的材料（主要是Fecl3），严禁使用含cl-的施工方法（如

18、盐水防冻等）。 324严格选择生产厂家，并派驻厂员仔细把握从材料、加工到贮运的各个环节。 325建立波纹管档案，从设计、制造、施工、运行管理各方面都有明确记录。 326 波纹管在生产、贮运及安装过程中应尽量避免cl污染。通常应贮存于阴凉干燥的库房，不得已露天放时，须使外压波纹管出口端向下（即按介质方由上向下），避免污水流入而引起腐蚀。 33运行管理方面 331认真调查并掌握波纹管使用环境条件，主要是氯离子含量情况，以期对应力腐蚀有清醒认识。并努力创造符合波纹管条件的运行环境。 332重新认识运行检查波纹管的重要性。波纹管作为管网附件是免维护的，但并不等于是免检查的，要切实加强对波纹管的检查，对内压型波纹管（铰链型、复式拉杆型）要定期进行波纹管着色检查；对外压波纹管主要检查有无浸泡、泄漏，对直接裸露或滴水处的波纹管要加以防护。 333建议每5年进行一次腐蚀状况的抽样分析和各项性能的检测。 324清洁管道中的水质，排除其中的沉积污物，消除点蚀形成和扩展的条件