供热管网波管补偿器爆裂破损原因分析及解决方法.docx

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供热管网波管补偿器爆裂破损原因分析及解决方法

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，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，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．       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。

2．2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

外层

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

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

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。

2．3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

18.00～20.00

8.00～10.50

余量

0Cr19Ni9

（GB1220-92）

≤0.08

≤1.0

≤2.0

≤0.0035

≤

0．0030

18.00～20.00

8.00～10.50

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：

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σBMAX作一对比，如表3所示

表3  四种工况下波纹管的δBMAX值

内压P/MPa

角位移

δBMAX/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，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。

2．5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：

3562　N·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。

2．5．2   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290oC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。

2．6  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。

2．7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

3．1　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）。

3．1．2　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的cl-腐蚀，二来可以减少突发事故的损失。

3．1．5　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。

3．1．6　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

3．2．1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。

3．2．2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。

3．2．3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（如盐水防冻等）。

3．2．4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。

3．2．5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。

3．2．6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。

3．3　运行管理方面

3．3．1　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。

3．3．2　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。

3．3．3　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。

3．2．4　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

3．2．5　开展波纹管剩余疲劳寿命的研究，正确及时更换具有潜在危险的波纹管补偿器。

同时也要研究出突发事故下的抢修预案。

4．结论：

波纹管补偿器是对原材料，产品设计加工工艺和运行管理诸方面都有明确要求的产品，有着其自身的使用条件及相应要求，本文正是力图通过波纹管补偿器爆损的现象，归纳和总结这些条件和要求（文中2.6节和3.0节已有所论述），以期更加合理地用好波纹管。

通过对波纹管补偿器爆裂破损各种现象和数据的分析，希望能引起大家对这个问题的重视，并不断地完善之。

我们感到，只有不断地探索和积累，才能真正更加全面地认识波纹管补偿器，才不再简单盲目地肯定或否定，使我们从必然王国走向自由王国。