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波纹管膨胀节在工程中的应用
   发布时间:2010-10-18
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波纹管膨胀节作为补偿性能良好,维护使用简便的补偿元件,在国内外供热管网中得到了越来越广泛的应用。国内自八十年代中期大面积采用集中供热以来,波纹管膨胀节越来越多的取代了传统的“п”形补偿和套筒补偿,为城市的现代化建设作出了贡献。
  随着使用年限的增加,波纹管膨胀节失效偶有发生,虽然比例很低,由于直接关系百姓的生活,已越来越多的引起有关方面的关注。因而有必要对近十几年波纹管膨胀节的用量,失效膨胀节的数量,膨胀节失效原因进行详细的分析,以其对此类补偿装置的安全性可靠性有全面的了解。针对波纹管膨胀节在使用过程中出现的问题,确定合理的解决方法,提高波纹管膨胀节的安全可靠性。
1 波纹管膨胀节可靠性分析
  波纹管膨胀节之所以能够在许多行业中得到广泛应用,除具有良好的补偿能力之外,高可靠性是使波纹管膨胀节在众多补偿器中脱颖而出的主要原因。与套筒补偿器、球形补偿器等机械密封形补偿器相比,波纹管膨胀节不存在密封性能随位移循环而降低的问题。由于波纹管为一薄壁挠性元件,在高应力状态下工作,是管系中最薄弱的部位,因而波纹管膨胀节的安全可靠性成为用户最为关心的问题。
  波纹管膨胀节的的可靠性是通过设计、制造、安装、运行管理等多个环节保证的,任何一个环节的失控都会导致膨胀节寿命的降低甚至失效,即便如此,从近十几年波纹管膨胀节在供热工程中的应用实践来看,其可靠度还是很高的。据统计,我所近十年来供给供热电行业的九千余套膨胀节中,腐蚀失效的膨胀节5套(环境腐蚀引起),管系试压失效膨胀节9套(试压时压力表失效),工作超压失稳失效的膨胀节5套,结构件焊接造成膨胀节失效1套(与制造相关),共计20套,其可靠度达到0.998。对于民用工矿设备来说,已经相当安全可靠了。
2 供热管网用波纹管膨胀节概况及失效原因分析
2.1 供热管网类型
  国内供热管网可粗分为架空管线、地沟敷设和直埋敷设三种。
  架空管线具有敷设方式灵活,根据管线走向,可采用不同结构型式的膨胀节,在满足补偿要求的同时降低工程造价。架空管线由于膨胀节暴露于外部环境中,因而外部大气环境的优劣对波纹管的影响较大。
  对于地沟敷设的供热管网,当沟内保持清洁干燥无污染时,是膨胀节比较理想的工作环境;但当地沟存在污水、融雪盐水或其它腐蚀性介质时,将会对波纹管产生腐蚀,其腐蚀状况与小室积水的成分相关。
  九十年代后期,国内供热管网大量选择直埋管网,由于管线直埋于土壤,膨胀节与管线接口处很难理想密封,因而土壤环境及地下水质条件成为波纹管膨胀节结构设计和选材必须考虑的因素。
2.2 供热管网波纹管用材
  由于300系不锈钢在大气、水蒸气及淡水等介质中具有良好的耐蚀性,因而在国外供热管网中一直是波纹管的主流用材。国内集中供热用波纹管最初均选择300系不锈钢中最低档的1Cr18Ni9Ti或304不锈钢。如1984年启用的天津集中供热工程(架空蒸汽管线),1990年启用的北京石电供热工程(地沟热水管线),以及后来上马的太原供热工程、郑州供热工程、洛阳供热工程等,所用波纹管材质多为1Cr18Ni9Ti或304不锈钢,结构件材质为低碳钢或低合金钢;除极个别产生腐蚀失效外,直到现在绝大部分波纹管仍在使用中。
  在九十年代中期,由于个别地区(如天津经济开发区,为地沟敷设管线,大部分波纹管长期浸泡于高浓度的盐碱溶液中)环境条件比较恶劣,出现波纹管受外部环境腐蚀产生失效现象,引起业内人士注意,供热工程用波纹管开始选择耐蚀性较好的316和316L不锈钢。
  八十年代末供热管网直埋技术传入我国,由于直埋管线不用开地沟,可节约管沟敷设费用,一次性投资较低,且符合城市美化环境的要求,因而发展很快。在地下水位较低的地区,直埋波纹管膨胀节一般选用外压或内压加外套管结构,不考虑环境腐蚀问题。在地下水位较高且地下水中含有氯离子、硫离子、碱等腐蚀性介质的地区,直埋波纹管膨胀节一般选用联合保护型结构。此类膨胀节由工作波纹管和保护波纹管组成,工作波纹管由300系不锈钢制造,保护波纹管由300系不锈钢加防腐涂料或由高镍耐蚀合金制造。保护波纹管的作用是将外部腐蚀环境与工作波纹管隔绝开来,保护工作波纹管不受外部腐蚀介质的侵蚀。
  随着近些年江河水质、城市地下水质条件的变化,供热管网内部介质也有了较大的变化,尤其在沿海地区、重工业地区,供热介质中所含有害物质如氯离子、硫离子、游离氧越来越多。如太原某供热管网供热介质中氯离子含量最高达到170ppm;天津某供热管线,热源厂直接用河水补水,致使供热介质中氯离子含量最高达到400ppm以上。由于300系不锈钢对氯离子引起的应力腐蚀比较敏感,这些地区的用户对300系不锈钢制波纹管有些担心,为了保证波纹管的安全使用,在于介质接触的部分增设耐蚀金属层。
2.3 供热管网波纹管膨胀节的失效类型及原因分析
2.3.1 波纹管失效类型
  供热管网用波纹管膨胀节的失效在管线试压和运行期间均有发生。
  管线试压时出现问题主要有三种类型,(1)由于管系临时支撑不当,或管系固定支架设置不合理,导致支架破坏,波纹管过量变形而失效;(2)由于波纹管设计所考虑的压力或位移安全裕度不够,管线试压时波纹管产生失稳变形失效;(3)膨胀节制造质量问题,此类失效以小制造厂产品居多。
  波纹管在运行期间的失效主要表现为腐蚀泄漏和失稳变形两种形式,其中又以腐蚀失效居多。从腐蚀失效波纹管的解剖分析发现,腐蚀失效通常分两种类型:点腐蚀穿孔和应力腐蚀开裂;其中氯离子应力腐蚀开裂约占整个腐蚀失效的95%。波纹管失稳有两种类型:强度失稳和结构失稳;强度失稳包括内外压波纹管平面失稳和外压波纹管周向失稳,结构失稳是内压波纹管膨胀节的柱失稳。
2.3.2 波纹管失效原因分析
2.3.2.1波纹管腐蚀失效原因
  从近二十年波纹管在供热管网的应用实践来看,波纹管的腐蚀失效与内部输送介质和外部环境条件均有关系。当内部介质符合标准要求时,外部环境的腐蚀是造成波纹管失效的主要原因。
  架空管网在安装完毕后,通常会将管道连波纹管膨胀节一起包覆于密封的外护层中,当外护层密封不理想时,大气中的腐蚀介质、酸雨、沿海地区盐雾等均会对波纹管造成腐蚀。但至今尚无架空管线腐蚀失效的报道。
  地沟敷设是城市集中供热最常见的敷设方式。理想的地沟环境是适合波纹管工作的。当地沟中存在污水、含盐碱的地下水、融雪盐水或其它腐蚀性介质时,用300系不锈钢制造的波纹管往往使用一个或几个供暖周期就腐蚀失效。此类失效在天津经济开发区、北京供热管网中均出现过。天津经济开发区属于高地下水位地区,小室中一直有高浓度的盐碱水,波纹管浸泡在腐蚀溶液中,一般一个供热周期波纹管即失效,属于系统腐蚀的问题。北京供热管网的膨胀节失效是由于小室进水,波纹管长期浸泡于腐蚀介质中而导致的腐蚀破坏,有较多的偶然因素。
  直埋管网用波纹管膨胀节由于管线直埋于地下,膨胀节与管道接口处很难实现理想的密封连接,因此直埋管网波纹管最常见失效是由于外部腐蚀介质引起的。
2.3.2.2 波纹管设计疲劳寿命与稳定性及应力腐蚀的关系
  众所周知,波纹管的设计主要考虑三个方面的因素:耐压强度、稳定性和疲劳性能。在国家标准和美国EJMA标准中,对这几方面的计算和评定都有明确的规定。
  从多年的应用实践中,尤其是从一些波纹管失效分析中,感到标准中给出的关于稳定性的计算和评定方法不够全面;关于疲劳寿命也仅给出了比较粗的界限范围(平均疲劳寿命Nc在103~105适用)。有时,一个完全符合标准要求的产品,在实际使用时也会出现一些问题。如内压轴向型膨胀节预变位状态在压力试验时波纹管易产生平面失稳,大直径外压轴向型膨胀节全位移工作状态波纹管易产生周向失稳,小直径复式拉杆型膨胀节、铰链型膨胀节全位移工作状态易产生柱失稳。波纹管过大的变形不仅对其稳定性造成影响,变形引起的综合应力的增加,还会为应力腐蚀提供有利的环境条件。以下将就波纹管稳定性与疲劳寿命(单波补偿量)的关系及波纹管综合应力与应力腐蚀的关系进行简要分析。
a. 波纹管疲劳寿命与其综合应力
  波纹管的补偿量取决与其疲劳寿命,要求的疲劳寿命越高,波纹管单波补偿量越小。为了降低成本,提高单波补偿量,有些生产厂家将波纹管的许用疲劳寿命降的很低。这样就导致由位移引起的波纹管子午向弯曲应力很大,综合应力很高,大大降低了波纹管的稳定性。表1给出了无加强U形波纹管许用疲劳寿命与子午向综合应力及单波补偿量之间的关系。
表1 波纹管许用疲劳寿命与综合应力及单波补偿量之间的关系
许用疲劳寿命[N](次)
5000
3000
2000
1000
500
200
100
综合应力σt(MPa)
902
988
1066
1224
1417
1741
2051
单波位移e(%)
70
80
90
100
120
150
175
关于表1的几点说明:
  1) 综合应力σt为由位移和压力引起的波纹管子午向综合名义应力;
  2) 波纹管平均疲劳寿命N=[N]×10;
  3) 单波位移给出的是以许用寿命1000次为参照的参考值。
  由表1可以清楚的看出,降低疲劳寿命可以大幅度的提高波纹管单波位移,但同时波纹管综合应力也有大幅度的提高,必将对波纹管的强度和稳定性造成较大的影响。
b. 波纹管的综合应力与其耐压强度
  由标准中给出的波纹管平面稳定性和周向稳定性的计算方法和评定标准可以看出,其实二者反映的均为强度问题。当波纹管设计的许用寿命较低时,不仅其子午向综合应力较高,其环向应力也比较高,使得波纹管局部很快进入塑性,导致波纹管产生失稳。
  对于内压波纹管,位移应力在波纹管波峰和波谷处形成塑性铰,再加上压力应力,波纹管很快产生平面失稳。这就是低疲劳寿命波纹管在位移条件下平面失稳压力远低于高疲劳寿命的波纹管的根本原因。例如在预变位状态下,即波纹管位移量为许用值的1/2时,一个许用疲劳寿命为200次的波纹管,尚未达到其允许设计压力时,已经产生平面失稳;许用疲劳寿命为1000次的波纹管,达到设计压力时,波纹管处于平面稳定状态,达到1.5倍设计压力时,波纹管处于临界失稳状态;许用疲劳寿命为2000次的波纹管达到设计压力1.5倍时,波纹管仍处于平面稳定状态。
  外压波纹管从纵向剖面看,相当于一个受压力的拱梁,工作时波纹管处于拉伸状态,相当于拱梁降低了拱高,其抗失稳的能力自然降低。当波纹管单波位移过大时,波纹平直部分倾斜,使得波纹管波峰直径有缩小的趋势,但波峰圆环直径是确定的,为了协调变形,就会产生波峰塌陷,波纹管周向失稳。在国内外相应的标准中,关于位移对波纹管外压周向稳定性的影响均未涉及,有待于深入探讨。
  综上所述,虽然至今为止在供热管网的应用过程中尚未发现由疲劳而引起的破坏,但波纹管过低的设计疲劳寿命,可能会导致灾难性的后果。
c. 膨胀节位移与其柱稳定性
  对于复式拉杆型和铰链型膨胀节,横向位移是由波纹管角变位引起中间管段倾斜实现的。当波纹管产生角变位时,波纹管凸出侧承压面积大于凹陷侧承压面积,导致膨胀节附加了一个横向力,较之轴向型膨胀节更易产生柱失稳。显然波纹管单波位移越大,膨胀节横向位移越大,越易产生柱失稳。
d. 波纹管综合应力与应力腐蚀
  过高的综合应力不仅会使波纹管局部很快进入塑性状态,导致波纹管的失稳,并且对应力腐蚀的影响也很大。同样条件下,波纹管应力越高其产生应力腐蚀的倾向越明显。如同一小室固定支架两端各装一个膨胀节,一个膨胀节补偿长度较长(为168m)管段的的热位移,另一个膨胀节补偿长度较短(为120m)管段的热位移。补偿168m管段热伸长的膨胀节已腐蚀泄漏,补偿120m管段热伸长的膨胀节仅在波纹管内表面(与外部环境接触)有几个腐蚀坑。
3 波纹管膨胀节可靠性设计
  如前所述,波纹管膨胀节的可靠性是由设计、制造、安装及运行管理等多个环节构成的。可靠性设计也应该从这几方面考虑。
3.1 波纹管的可靠性设计
3.1.1 波纹管材料选择
  对用于供热管网的波纹管的选材,除应考虑工作介质、工作温度和外部环境外。还应考虑应力腐蚀的可能性、水处理剂和管道清洗剂对材料的影响等,并在此基础上结合波纹管材料的焊接、成型以及材料的性能价格比,优选出经济实用的波纹管材料。
  在大气、水蒸气和淡水等弱介质中,300系不锈钢是耐蚀的。这一点已在众多城市供热管网中的成功应用中都得到了证实。如供热管网(架空管线)波纹管材料选用1Cr18Ni9Ti,自85年开始运行,至今已运行19个供暖周期,尚未发现有腐蚀破坏的案例。为了提高波纹管的耐蚀性,现供热管网波纹管的用材多选用316或316L,这两种材料用于热力管网应该是性能价格比较为优良的材料。
  对于地沟敷设的热力管网,当膨胀节所处管道地势较低,雨水或事故性污水不可避免的会浸泡波纹管时,应考虑选用耐蚀性更强的材料。,如铁镍合金、高镍合金等。由于此类材料价格较高,在制造波纹管时,可以考虑仅在与腐蚀性介质接触的表面增加一层耐蚀合金。
3.1.2 疲劳寿命设计
  由波纹管膨胀节的失效类型及原因分析可以看出,波纹管的平面稳定性、周向稳定性及耐腐蚀性能均与其位移量即疲劳寿命相关。过低的疲劳寿命将会导致波纹管稳定性及耐蚀性能下降。根据以往的试验及使用经验,用于供热工程的波纹管疲劳寿命应不小于1000次。
3.2 膨胀节的可靠性设计
  纵观供热工程中使用的波纹管膨胀节的失效形式,除个别资质不全的小厂波纹管膨胀节易出现制造质量问题外,大多数波纹管的失效是由于腐蚀引起的,且多为外部环境腐蚀造成的。因此在进行膨胀节的结构设计时,可考虑隔绝外部腐蚀介质与波纹管的接触。如对于外压轴向型膨胀节可在出口端环与出口管之间增加填料密封装置,其作用相当于套筒补偿器,既可抵挡外部腐蚀介质的侵入,又给波纹管膨胀节增加了一道安全屏障,即使波纹管破坏,膨胀节还可以起到补偿作用并可避免波纹管失效产生灾难性的后果。
4 结束语
  综上所述,波纹管作为性能可靠、补偿能力强的元件,特别适用于供热管网的热补偿。通过对个别失效现象的分析,排除偶发事件(如管系试压时发生的膨胀节失效),膨胀节存在的问题主要有两类:波纹管的稳定性及腐蚀。波纹管的稳定性问题可通过合理的设计波纹管波形参数和疲劳寿命得到解决。对于比较棘手的腐蚀问题,可以通过两种方式得到解决:(1)合理的波纹管选材和膨胀节结构设计,割断腐蚀源。(2)加强小室积水管理,从根本上解决腐蚀问题。这样不仅波纹管的腐蚀问题可以得到解决,小室中碳钢管路的腐蚀问题也就不存在了。
  任何一种设备都是在使用中通过不断出现问题和解决问题变得更加完善的,我们有理由相信,通过对供热管网中膨胀节出现的一些问题分析和采取相应的解决措施,一定会使我们的产品更加完善,使我们的用户更加满意。
 
 
 
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