供熱管網(wǎng)波紋管補(bǔ)償器爆裂破損原因分析及解決方法

1、供熱管網(wǎng)波紋管補(bǔ)償器爆裂破損原因分析及解決方法聞作祥 吳星 北京市熱力集團(tuán) 2003-05-30本文提要：北京市集中供熱管網(wǎng)，從2000年3月底至5月，二個(gè)月期間相繼發(fā)生供熱干線波紋管爆裂破損問題，使人們引發(fā)了對(duì)波紋管補(bǔ)償器如何正確設(shè)計(jì)、加工及運(yùn)行管理等諸多問題的思考。本文分析了破損原因，提出了解決的方法，并對(duì)如何看待波紋管補(bǔ)償器的問題提出全新詮釋。 1       問題的提出 波紋管補(bǔ)償器作為一種新型補(bǔ)償設(shè)備，從80年末期開始使用，90年代得以大力推廣。作為一種補(bǔ)償性能良好，使用維護(hù)簡(jiǎn)單的補(bǔ)償器，特別是在代替以往套筒式補(bǔ)償器方面，得

2、到大家的認(rèn)可，但隨著其使用年限與范圍的增加、擴(kuò)展，特別是在供熱系統(tǒng)中波紋管爆裂破損事故的不斷發(fā)生，使得我們必須站在新的高度，重新認(rèn)識(shí)波紋管補(bǔ)償器。 下面三圖是北京市集中供熱系統(tǒng)波紋管補(bǔ)償器爆損的情況。 2001年3月30日，北京國(guó)華熱電廠供熱干線的朝陽線16號(hào)DN1000鉸接波紋管（本文以下簡(jiǎn)稱A波紋管）突然發(fā)生爆裂，致使國(guó)華熱電廠停泵，供熱主干線中斷正常運(yùn)行三個(gè)月。參見圖1。 圖1  A波紋管爆損圖 2001年5月14日，北京石景山熱電廠供熱主干線之一的西三環(huán)6號(hào)DN800鉸接波紋管（本文以下簡(jiǎn)稱B波紋管）發(fā)現(xiàn)已嚴(yán)重破損，四層中已有三層開裂，不能正常運(yùn)行，被迫中斷運(yùn)行。參見圖2。

3、             圖2   B波紋管破損圖 2001年5月23日，北京華能熱電廠蒸汽主干線DN1000波紋管補(bǔ)償器（本文以下簡(jiǎn)稱C波紋管），發(fā)生了大量蒸汽泄漏，華能熱電廠被迫調(diào)整工況，停止蒸汽外供，蒸汽干線停汽三周。參見圖3。 圖3   C波紋管失穩(wěn)圖接連不斷的問題，引起供熱界廣大技術(shù)人員的關(guān)注，波紋管補(bǔ)償器在目前供熱管網(wǎng)中被廣泛使用，僅北京市集中供熱網(wǎng)中就有三千多個(gè)，特別是在大口徑的供熱主干線上，波紋管是目前唯一的補(bǔ)償設(shè)備，一

4、旦發(fā)生問題后果十分嚴(yán)重，必須引起高度重視。本文試分析波紋管爆裂破損各種原因，及波紋管補(bǔ)償器在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工和運(yùn)行管理各方面存在的問題，并在此基礎(chǔ)上提出解決問題的方法。 2       原因分析 事故原因我們從6個(gè)方面進(jìn)行了分析，試述如下： 2        1  外觀觀察 A和B波紋管的外觀觀察呈現(xiàn)一樣的特征，波紋管外層的外壁有少量腐蝕產(chǎn)物，但仍然保持銀白色的金屬光澤，裂紋很細(xì)，走向各異。在波紋管的第一層內(nèi)壁以及第二、三層的內(nèi)外壁有大量腐蝕產(chǎn)物附著，不銹

5、鋼薄板已經(jīng)完全失去了金屬光澤，墜落地 面已無金屬聲響，層間堵塞大量腐蝕產(chǎn)物已無結(jié)合力，第四層外表面有少量腐蝕產(chǎn)物和小裂紋，內(nèi)表面附著均勻的薄水垢，無腐蝕產(chǎn)物，表面呈銀灰色。 裂紋情況與腐蝕產(chǎn)物相近，以第二、三層裂紋最多、最粗，第一層其次，第四層相對(duì)較少、較細(xì)。裂紋擴(kuò)展方向具有發(fā)散特征，向各個(gè)方向開裂。 以上觀察我們可以判斷：波紋管的腐蝕開裂應(yīng)是外層逐層向內(nèi)各層波紋管發(fā)展的，只是各層波紋管腐蝕破壞在時(shí)間上的先后關(guān)系，才出現(xiàn)各層腐蝕開裂程度上的明顯差異。腐蝕來自波紋管外，在進(jìn)入波紋管層間后，連續(xù)并加快了腐蝕的產(chǎn)生。 C波紋管內(nèi)外各層均無腐蝕，但已嚴(yán)重變形，經(jīng)著色分析未發(fā)現(xiàn)層間進(jìn)汽現(xiàn)象。由此我們可以

6、排除腐蝕及層間進(jìn)汽原因而產(chǎn)生的破壞。 22腐蝕產(chǎn)物分析 從波紋管一至四層裂紋及斷口處取腐蝕產(chǎn)物，用X射線熒光分析儀，在實(shí)驗(yàn)條件下查明，腐蝕產(chǎn)物中主要元素為O，F(xiàn)e，Cr，Ni，Si，Al，Mg等，所有腐蝕產(chǎn)物均含有Cl元素。對(duì)腐蝕產(chǎn)物作能譜分析，其結(jié)果參見表1。 表1  波紋管第1層裂紋及斷口處腐蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果1 2 3 4 外層 內(nèi)層 外層 內(nèi)層 層 內(nèi)層 外層 內(nèi)層 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 從表1可以看出，從外層至內(nèi)層均有Cl元素的分布及富集，并大大超出了導(dǎo)致304不銹鋼應(yīng)力腐蝕開裂臨界值的Cl含量（500ppm=0.050%）可以認(rèn)為在含有Cl的環(huán)境中，再加上溫度，應(yīng)力及材質(zhì)因素，構(gòu)成了304材質(zhì)應(yīng)力腐蝕開裂（SCC）方面的很大敏感性。隨著Cl濃度增加，不銹鋼的應(yīng)力腐蝕敏感性增加，能譜分析測(cè)到的氯元素重量

9、百分比最低為4300ppm，最高為120000ppm，已經(jīng)完全具備了發(fā)生應(yīng)力腐蝕的條件。 23材質(zhì)及微觀金相分析 對(duì)波紋管基材的化學(xué)成分分析結(jié)果如表2。 表2  開裂波紋管基材化學(xué)萬分分析%   C Si Mn P S Cr Ni Fe 開裂波紋管 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 對(duì)金相試樣我們同時(shí)進(jìn)行了掃描電鏡分析，對(duì)這兩項(xiàng)的分析表明：231材質(zhì)是符合304不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)的，但Ni元素含量接近標(biāo)準(zhǔn)成分的下限，降低了304不銹鋼奧氏體組織的穩(wěn)定性，外力將導(dǎo)致馬氏體相變。 232逐層金相組織觀察均發(fā)現(xiàn)形變馬氏體。 233金相裂紋在微觀上以穿晶為主，是典型的應(yīng)力腐蝕裂紋特征，應(yīng)力腐蝕破裂是引起波紋管腐蝕開裂失效的重要原因。 24應(yīng)力分析 應(yīng)力的存在是導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕開裂的必要條件之一，應(yīng)力的來源主要有：波紋管加工成型過程中產(chǎn)生的形變應(yīng)力和殘余應(yīng)力；在服役期間的工作應(yīng)力；裝配不當(dāng)導(dǎo)致的裝配應(yīng)力過大；腐蝕產(chǎn)物引起的

11、楔入應(yīng)力。 采用非線性有限元對(duì)設(shè)計(jì)和工作工況下的波紋管作應(yīng)力分析。波紋管變形應(yīng)力分布狀況如圖4所示。   圖4   波紋管變形及應(yīng)力分布狀況圖   波紋管的最大應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)在角位移平面內(nèi)即波紋管的凹邊A區(qū)域或凸邊B區(qū)域上，將各種工況條件下波紋管 角位移平面內(nèi)凸側(cè)最大拉力BMAX作一對(duì)比，如表3所示 表3   四種工況下波紋管的BMAX值   內(nèi)壓P/MPa 角位移 BMAX/MPa 設(shè)計(jì)工況 1.6 9o 543.14 工作工況 0.86 7o 446.2 0.86 8o 535.7 0.86 9o 638.6 以上分析表明，

12、波紋管總體應(yīng)力水平雖然很高，仍不足以導(dǎo)致波殼的爆裂。但由在波紋管層間的大量腐蝕產(chǎn)物體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原有金屬的體積，這樣在裂紋尖端便產(chǎn)生了不可忽視的楔入應(yīng)力，有效地促進(jìn)了應(yīng)力腐蝕裂紋的發(fā)生和發(fā)展。 25設(shè)計(jì)運(yùn)行參數(shù)分析 2.5.1    A、B波紋管原始設(shè)計(jì)參數(shù)： 設(shè)計(jì)壓力：1.6Mpa 設(shè)計(jì)溫度：350 額定角位移：9°（A、B波紋管） 角位移剛度：3562N·m/° 許用疲勞壽命：1000次 波紋管材質(zhì)：304不銹鋼 單層厚度：1.2mm從波紋管服役期間運(yùn)行參數(shù)來看，A、B波紋管是熱水管網(wǎng)，運(yùn)行參數(shù)遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)參數(shù)。 252 &

13、#160;  C波紋管原始設(shè)計(jì)參數(shù) 設(shè)計(jì)壓力：1.6Mpa 設(shè)計(jì)溫度：300oC 軸向補(bǔ)償量：270mm 許用壽命：1000次 波紋管材料：316 經(jīng)重新核實(shí)計(jì)算，該波紋管補(bǔ)償器軸距80米，實(shí)際運(yùn)行中最高溫度達(dá)到290 oC以上，補(bǔ)償量已超過設(shè)計(jì)補(bǔ)償量。另外，設(shè)計(jì)補(bǔ)償器已臨近產(chǎn)品補(bǔ)償量極限，也是重要原因之一。 26   工程情況分析 B波紋管安裝示意如圖5所示。   圖5  B波紋管安裝示意圖 經(jīng)工程現(xiàn)場(chǎng)與設(shè)計(jì)圖紙核實(shí)，發(fā)現(xiàn)有兩大缺陷：第一是設(shè)計(jì)的兩個(gè)絞接型波紋管均為6波。但工程實(shí)際中使用的是一個(gè)4波波紋管，另一個(gè)是6波波紋管，設(shè)計(jì)與

14、工程實(shí)際不符；第二是固定支架未安裝卡板。 經(jīng)分析，這兩個(gè)缺陷是B波紋管破損的重要原因，雖然經(jīng)計(jì)算，在固定支架無卡板時(shí)，仍能補(bǔ)償相應(yīng)的熱伸長(zhǎng)量，但補(bǔ)償量已接近極限，同時(shí)，由于兩個(gè)波紋管型號(hào)不一，4波波紋管的剛度較小，致使應(yīng)力主要集中在4波波紋管，造成在相同使用環(huán)境（cl-濃度相同）下，4波波紋管發(fā)生破損。 C波紋管在施工安裝過程中，考慮各方面因素未預(yù)拉伸，致使波紋管運(yùn)行中的安全系數(shù)大大下降。 27分析結(jié)論 271A、B波紋管的爆損是由應(yīng)力腐蝕造成的，腐蝕主要來源于外部的cl元素。A波紋管的破損主要來自環(huán)境。而對(duì)B波紋管，由于增加了施工所帶來的不利影響而加快了應(yīng)力腐蝕。 cl-元素主要來自兩部分，

15、一是流入管道的天然水、化雪鹽水及污水，二是施工中所用含F(xiàn)ecl3的防水劑、防凍劑等。 272加工過程中所產(chǎn)生的形變馬氏體不僅對(duì)材料的組織和結(jié)構(gòu)，而且對(duì)材料力學(xué)性能和腐蝕行為產(chǎn)生明顯影響。形變馬氏體建立了一條對(duì)氯脆敏感途徑，成為應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展的活性通道。 273304不銹鋼Ni元素含量影響組織的穩(wěn)定性，易導(dǎo)致形變馬氏體產(chǎn)生。 274應(yīng)力是腐蝕的條件，特別是腐蝕產(chǎn)物的楔入應(yīng)力，加快了腐蝕的速度。 275位移應(yīng)力對(duì)波紋管設(shè)計(jì)的影響不容忽視，另外，運(yùn)行參數(shù)過高，安裝時(shí)未預(yù)拉伸及設(shè)計(jì)參數(shù)接近設(shè)備極限，都是重要影響因素。 3       解決方

16、法 31產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工方面 311改變以往304不銹鋼材，選用耐腐蝕的超低碳奧氏體不銹鋼（如316L）。 312充分認(rèn)識(shí)加工過程形變馬氏體對(duì)波紋管帶來的各方面的影響，盡可能減少形變馬氏體的生成。為降低加工殘余應(yīng)力和受載應(yīng)力，推廣首選低波高，大波距的波紋管。 313選擇涂層保護(hù)設(shè)計(jì)，涂層保護(hù)可以考慮防腐薄膜，外覆耐蝕含金（如Incoloy800或825）、高品質(zhì)涂裝設(shè)計(jì)，也可考慮電化學(xué)保護(hù)及改變環(huán)境氯離子含量等方法。 314改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，重新認(rèn)識(shí)多層和單層波紋管產(chǎn)品的優(yōu)劣。并增加直觀檢查波紋管外腐蝕的渠道和方法，盡量減少突發(fā)事故發(fā)生。同時(shí)，可以考慮在外壓式波紋管外增加密封裝置，一來可以減少介質(zhì)中

17、的cl-腐蝕，二來可以減少突發(fā)事故的損失。 315重新研究并確立在一定Cl含量條件下的波紋管壽命，提出在不同環(huán)境中波紋管合理的使用周期。在無腐蝕條件下對(duì)波紋管研究的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究應(yīng)力與腐蝕的關(guān)系，找到在一定cl-濃度下應(yīng)力最佳值。 316適當(dāng)提高波紋管的安全系數(shù)，研究位移應(yīng)力對(duì)波紋管產(chǎn)品影響，提高抵御意外事件的能力。 3. 2 工程設(shè)計(jì)施工方面 321設(shè)計(jì)人員必須對(duì)波紋管補(bǔ)償器有足夠的了解和認(rèn)識(shí)，這是正確選擇和使用好波紋管的前提條件。 322施工必須遵守設(shè)計(jì)圖紙要求，并嚴(yán)格工程質(zhì)量檢測(cè)程序，確保工程質(zhì)量。 323施工中嚴(yán)禁使用含cl-的材料（主要是Fecl3），嚴(yán)禁使用含cl-的施工方法（如

18、鹽水防凍等）。 324嚴(yán)格選擇生產(chǎn)廠家，并派駐廠員仔細(xì)把握從材料、加工到貯運(yùn)的各個(gè)環(huán)節(jié)。 325建立波紋管檔案，從設(shè)計(jì)、制造、施工、運(yùn)行管理各方面都有明確記錄。 326 波紋管在生產(chǎn)、貯運(yùn)及安裝過程中應(yīng)盡量避免cl污染。通常應(yīng)貯存于陰涼干燥的庫(kù)房，不得已露天放時(shí)，須使外壓波紋管出口端向下（即按介質(zhì)方由上向下），避免污水流入而引起腐蝕。 33運(yùn)行管理方面 331認(rèn)真調(diào)查并掌握波紋管使用環(huán)境條件，主要是氯離子含量情況，以期對(duì)應(yīng)力腐蝕有清醒認(rèn)識(shí)。并努力創(chuàng)造符合波紋管條件的運(yùn)行環(huán)境。 332重新認(rèn)識(shí)運(yùn)行檢查波紋管的重要性。波紋管作為管網(wǎng)附件是免維護(hù)的，但并不等于是免檢查的，要切實(shí)加強(qiáng)對(duì)波紋管的檢查，對(duì)內(nèi)壓型波紋管（鉸鏈型、復(fù)式拉桿型）要定期進(jìn)行波紋管著色檢查；對(duì)外壓波紋管主要檢查有無浸泡、泄漏，對(duì)直接裸露或滴水處的波紋管要加以防護(hù)。 333建議每5年進(jìn)行一次腐蝕狀況的抽樣分析和各項(xiàng)性能的檢測(cè)。 324清潔管道中的水質(zhì)，排除其中的沉積污物，消除點(diǎn)蝕形成和擴(kuò)展的條件