波紋管補(bǔ)償器失效原因及可靠性探究

劉鎖

（秦皇島北方管業(yè)有限公司，河北 秦皇島066004）

在波紋管補(bǔ)償器應(yīng)用過(guò)程中，穩(wěn)定性及腐蝕是其較易出現(xiàn)的問(wèn)題。在波紋管補(bǔ)償器設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)對(duì)其參數(shù)及疲勞壽命進(jìn)行合理設(shè)定，采用正確的方法進(jìn)行安裝，并對(duì)管系應(yīng)力進(jìn)行分析與優(yōu)化，進(jìn)而提高波紋管的穩(wěn)定性。同時(shí)還應(yīng)合理進(jìn)行波紋管制作材質(zhì)的選擇，優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，從源頭上進(jìn)行腐蝕源的隔離，并進(jìn)行小室積水管理的強(qiáng)化，妥善解決波紋管的失效問(wèn)題。

1 波紋管補(bǔ)償器失效原因分析

1.1 失效類型

在波紋管應(yīng)用過(guò)程中，在管線試壓或運(yùn)行過(guò)程中都會(huì)發(fā)生失效問(wèn)題。

1.1.1 管線試壓時(shí)的失效類型

管線試壓時(shí)的失效問(wèn)題類型可分析三種：一是管系臨時(shí)支撐或固定支架的設(shè)置不合理，由于支架損壞而導(dǎo)致波紋管嚴(yán)重變形而導(dǎo)致失效；二是波紋管設(shè)計(jì)時(shí)未對(duì)壓力及位移安全進(jìn)行合理考量，導(dǎo)致試壓時(shí)波紋管的穩(wěn)定性降低而導(dǎo)致變形失效；三是補(bǔ)償器的質(zhì)量不合格，制作過(guò)程中材料選擇不當(dāng)或生產(chǎn)企業(yè)私自減少不銹鋼層數(shù)而導(dǎo)致失效問(wèn)題發(fā)生。

1.1.2 運(yùn)行過(guò)程中的失效類型

在運(yùn)行期間，波紋管會(huì)出現(xiàn)兩種變形，一是腐蝕泄漏，其中，腐蝕泄漏而導(dǎo)致的失效問(wèn)題較多。通過(guò)對(duì)波紋管進(jìn)行解剖分析發(fā)現(xiàn)，分點(diǎn)腐蝕穿孔是導(dǎo)致腐蝕失效的直接原因，此外，也會(huì)由于應(yīng)力腐蝕開裂而出現(xiàn)失效，通常都是由于氯離子的應(yīng)力腐蝕而導(dǎo)致波紋管失效。二是失穩(wěn)變形。由于波紋管的內(nèi)外壓力不均衡而導(dǎo)致平面失穩(wěn)，在外壓狀態(tài)下波紋管會(huì)出現(xiàn)周向失穩(wěn)，這兩種失穩(wěn)都屬于強(qiáng)度失穩(wěn)；同時(shí)由于內(nèi)壓波紋管補(bǔ)償器的柱失穩(wěn)會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

1.2 疲勞壽命、穩(wěn)定性、應(yīng)力腐蝕之間的關(guān)系分析

在對(duì)波紋管進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，除了要考慮其耐壓強(qiáng)度與穩(wěn)定性以外，還要對(duì)其波勞性進(jìn)行考量。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)這些因素的計(jì)算與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)都較為明確，然而在實(shí)際應(yīng)用中總結(jié)波紋管失效的原因可發(fā)現(xiàn)，有關(guān)穩(wěn)定性的計(jì)算方式與評(píng)價(jià)方法仍有待完善，波勞壽命的界限范圍的適用性并不高。即使生產(chǎn)出的產(chǎn)品與標(biāo)準(zhǔn)要求完全一致，在使用時(shí)也存在失效的可能。在進(jìn)行壓力試驗(yàn)時(shí)，如果補(bǔ)償器屬于內(nèi)壓軸向型預(yù)變位狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致波紋管出現(xiàn)平面失穩(wěn)問(wèn)題，如果波紋管補(bǔ)償器屬于直徑較大的外壓軸向型，其處于全位移工作狀態(tài)時(shí)將會(huì)出現(xiàn)周向失穩(wěn)問(wèn)題，如補(bǔ)償器為直徑較小的復(fù)式拉桿型或鉸鏈型全位移狀態(tài)，將會(huì)出現(xiàn)柱失穩(wěn)。如波紋管變形較為嚴(yán)重將會(huì)影響其穩(wěn)定性，同時(shí)出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕的現(xiàn)象。

1.2.1 波紋管疲勞壽命及其綜合應(yīng)力的關(guān)系分析

疲勞壽命會(huì)對(duì)波紋管的補(bǔ)償量受到影響，且疲勞壽命與波紋管的單波補(bǔ)償量呈反比關(guān)系。部分企業(yè)在生產(chǎn)波紋管時(shí)會(huì)降低波勞壽命以實(shí)現(xiàn)單波補(bǔ)償量提高的目的，然而這會(huì)引發(fā)位移，使波紋管的子午向彎曲應(yīng)力顯著提高，同時(shí)其綜合應(yīng)力也會(huì)明顯變大，進(jìn)而對(duì)波紋管的穩(wěn)定性產(chǎn)生直接影響。

1.2.2 波紋管綜合應(yīng)力及其耐壓強(qiáng)度的關(guān)系分析

通過(guò)分析波紋管平面及周向穩(wěn)定性的計(jì)算及評(píng)定方法可以發(fā)現(xiàn)，二者的強(qiáng)度問(wèn)題較為明顯。在設(shè)計(jì)波紋管時(shí)，在許用壽命較低狀態(tài)下，波紋管的午向綜合應(yīng)力與環(huán)向應(yīng)力都較高，因此，波紋管出現(xiàn)局部較陡的情況進(jìn)而導(dǎo)致其出現(xiàn)塑性變形，因此，波紋管會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)問(wèn)題。如為內(nèi)壓波紋管，在波紋管的波峰及波谷位置位移應(yīng)力會(huì)出現(xiàn)塑形鉸，在其與壓力應(yīng)力的作用下，將對(duì)導(dǎo)致波紋管出現(xiàn)平面失穩(wěn)問(wèn)題?；诖?，在位移情況下，低疲勞比高疲勞壽命波紋管的平面失穩(wěn)壓力更低。在波紋器處于預(yù)變位狀態(tài)時(shí)，波紋管的位移量為許用值的一半，其疲勞壽命為200 次，壓力值無(wú)需達(dá)到允許設(shè)計(jì)壓力的頂峰即會(huì)產(chǎn)生平面失穩(wěn)問(wèn)題。如波紋管的許用疲勞壽命高達(dá)一千次，壓力值為允許設(shè)計(jì)壓力頂峰時(shí)，波紋管保持平面穩(wěn)定狀態(tài)，而當(dāng)壓力值超過(guò)允許設(shè)計(jì)壓力值的50%時(shí)，波紋管將會(huì)出現(xiàn)平面失穩(wěn)問(wèn)題。而當(dāng)波紋管的疲勞壽命設(shè)計(jì)值為二千次，在壓力值超過(guò)允許設(shè)計(jì)壓力值的50%時(shí)其仍可保持平面狀態(tài)的穩(wěn)定。通過(guò)分析外壓波紋管的縱向剖面，可將其看作為正在承受壓力的拱梁，在運(yùn)行時(shí)波紋管會(huì)被拉伸，其拱梁的高度會(huì)降低，因此波紋管的穩(wěn)定性將會(huì)受到破壞。在波紋管出現(xiàn)較為明顯的單波位移時(shí)，波紋管會(huì)向平直部分進(jìn)行傾斜，進(jìn)而導(dǎo)致波紋管的波峰直徑逐漸縮小，然而由于波峰的圓環(huán)直徑是固定不變的，因此，波峰會(huì)坍塌以防出現(xiàn)變形，此時(shí)波紋管會(huì)出現(xiàn)周向失穩(wěn)問(wèn)題。在國(guó)內(nèi)與國(guó)際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中，都未對(duì)波紋管外壓周向穩(wěn)定性與位移之間的關(guān)系進(jìn)行明確，此方面仍需進(jìn)一步研究。在熱力管網(wǎng)應(yīng)用過(guò)程中，并不會(huì)因疲勞而導(dǎo)致破壞性問(wèn)題，然而如果波紋管的疲勞壽命設(shè)計(jì)過(guò)低，必然會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的后果。

1.2.3 補(bǔ)償器位移及其柱穩(wěn)定性的關(guān)系分析

如波紋管補(bǔ)償器屬于復(fù)位拉桿型或鉸鏈型，波紋管的角變位會(huì)導(dǎo)致中間管段出現(xiàn)傾斜進(jìn)而引發(fā)橫向位移。一旦波紋管出現(xiàn)角變位，與凹陷側(cè)相比，凸出側(cè)的承壓面積更大，此時(shí)會(huì)在補(bǔ)償器的橫向方向施加較大的力，進(jìn)而導(dǎo)致軸向型補(bǔ)償器出現(xiàn)柱失穩(wěn)現(xiàn)象。因此，波紋管出現(xiàn)較大的單波位移，波償器將會(huì)出現(xiàn)明顯的橫向位移，進(jìn)而導(dǎo)致柱失穩(wěn)問(wèn)題發(fā)生。

2 波紋管補(bǔ)償器的可靠性分析

2.1 可靠性設(shè)計(jì)

2.1.1 波紋管的材料選擇

在對(duì)供熱管網(wǎng)所應(yīng)用的波紋管進(jìn)行材料選擇時(shí)，不僅要分析介質(zhì)、溫度以及外部環(huán)境，還要考慮是否存在應(yīng)力腐蝕的可能，并對(duì)材料受到水處理劑及管理清洗劑的影響情況進(jìn)行分析，此外，還要根據(jù)波紋管材料的焊接、成型以及性價(jià)比進(jìn)行探討，進(jìn)而篩選出最適合制作波紋管的材料。首先，制作波紋管的材料應(yīng)具有較強(qiáng)的塑形，可以為波紋管的成形提供保障，經(jīng)過(guò)后續(xù)處理后波紋管的硬度及強(qiáng)度會(huì)有所提升。其次，制作材料應(yīng)具有較強(qiáng)的高彈性能，且抗拉及抗疲勞能力較強(qiáng)，可為波紋管的正常使用提供保障。再次，選擇材料應(yīng)具有較強(qiáng)的可焊接性。最后，腐蝕性也要相對(duì)較強(qiáng)，保證波紋管可用于多種不同的環(huán)境狀態(tài)下。大部分生產(chǎn)廠家會(huì)使用奧氏體不銹鋼作為波紋管的制作材料。同時(shí)，316 及316L 是性價(jià)比較高的波紋管制作材料，可以顯著提升其耐蝕性能。如熱力管網(wǎng)鋪設(shè)于地勢(shì)低洼地帶，且補(bǔ)償器位于管道的較低處，在雨水或由于事故原因而出現(xiàn)的污水浸泡下，波紋管會(huì)出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，因此，應(yīng)選擇抗腐蝕性能良好的材料進(jìn)行波紋管的制作。然而此類材料的價(jià)格相對(duì)較高，因此可在材料表面覆蓋耐蝕合金以提高波紋管的抗腐蝕性。

2.1.2 設(shè)計(jì)波紋管的疲勞壽命

通過(guò)分析波紋管補(bǔ)償器的失效類型及其失效原因，發(fā)現(xiàn)波紋管的疲勞壽命會(huì)對(duì)其平面以及周向穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，同時(shí)也與其抗腐蝕性有著直接的關(guān)聯(lián)。如設(shè)計(jì)的疲勞壽命過(guò)低，將會(huì)對(duì)波紋管的穩(wěn)定性與抗腐蝕性產(chǎn)生破壞，通過(guò)實(shí)踐分析發(fā)現(xiàn)，在供熱工程當(dāng)中波紋管的疲勞壽命設(shè)計(jì)值應(yīng)高于一千次。通常外部環(huán)境會(huì)對(duì)波紋管進(jìn)行腐蝕進(jìn)而導(dǎo)致波紋管失效，基于此，在設(shè)計(jì)補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)對(duì)波紋管與外界的腐蝕性介質(zhì)進(jìn)行隔離?？稍谕鈮狠S向型補(bǔ)償器出口處的端環(huán)及出口管之間加裝填料密封裝置，其與套筒補(bǔ)償器所發(fā)揮的作用較為相似，不僅可以有效隔絕外部腐蝕性介質(zhì)，也可保障補(bǔ)償器的安全，在波紋管受到損壞的情況下，補(bǔ)償器也可發(fā)揮出補(bǔ)償作用以降低波紋管失效問(wèn)題的發(fā)生。

2.2 確保波紋管的安裝質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)

2.2.1 由于波紋管的承重能力較差，因此應(yīng)單獨(dú)對(duì)其進(jìn)行安裝。

2.2.2 在設(shè)計(jì)過(guò)程中要對(duì)波紋管的預(yù)拉伸及冷緊預(yù)變形量進(jìn)行考量，不得對(duì)波紋管進(jìn)行變形扭曲而進(jìn)行管道安裝偏差的調(diào)整。

2.2.3 安裝時(shí)對(duì)波紋管進(jìn)行防護(hù)，盡量避免焊渣濺到其表面而產(chǎn)生損傷。

2.2.4 外部構(gòu)件不可將波紋管的活動(dòng)元件卡死，以免其無(wú)法進(jìn)行正?；顒?dòng)。

2.2.5 水壓試驗(yàn)過(guò)程中，要使用干凈水源，確保其不含腐蝕性物質(zhì)，如采用奧氏體不銹鋼材料制作波紋管，要對(duì)水中的氯離子含量加以控制，同時(shí)將波紋管中的積水及時(shí)排出。

結(jié)束語(yǔ)

在波紋管應(yīng)用過(guò)程中，單波位移較為明顯，補(bǔ)償器會(huì)出現(xiàn)明顯的橫向位移，柱失穩(wěn)問(wèn)題的發(fā)生率會(huì)顯著提升。疲勞原因不會(huì)導(dǎo)致熱力管網(wǎng)出現(xiàn)損壞，然而其疲勞壽命會(huì)對(duì)波紋管的應(yīng)用產(chǎn)生影響，進(jìn)而引發(fā)嚴(yán)重的后果，因此，在應(yīng)用過(guò)程中要對(duì)此問(wèn)題加以重視。