波纹管补偿器失效原因及可靠性探究

2020-01-04刘锁

科学技术创新 2020年13期

刘锁

（秦皇岛北方管业有限公司，河北秦皇岛066004）

在波纹管补偿器应用过程中，稳定性及腐蚀是其较易出现的问题。在波纹管补偿器设计过程中，应对其参数及疲劳寿命进行合理设定，采用正确的方法进行安装，并对管系应力进行分析与优化，进而提高波纹管的稳定性。同时还应合理进行波纹管制作材质的选择，优化设计结构，从源头上进行腐蚀源的隔离，并进行小室积水管理的强化，妥善解决波纹管的失效问题。

1 波纹管补偿器失效原因分析

1.1 失效类型

在波纹管应用过程中，在管线试压或运行过程中都会发生失效问题。

1.1.1 管线试压时的失效类型

管线试压时的失效问题类型可分析三种：一是管系临时支撑或固定支架的设置不合理，由于支架损坏而导致波纹管严重变形而导致失效；二是波纹管设计时未对压力及位移安全进行合理考量，导致试压时波纹管的稳定性降低而导致变形失效；三是补偿器的质量不合格，制作过程中材料选择不当或生产企业私自减少不锈钢层数而导致失效问题发生。

1.1.2 运行过程中的失效类型

在运行期间，波纹管会出现两种变形，一是腐蚀泄漏，其中，腐蚀泄漏而导致的失效问题较多。通过对波纹管进行解剖分析发现，分点腐蚀穿孔是导致腐蚀失效的直接原因，此外，也会由于应力腐蚀开裂而出现失效，通常都是由于氯离子的应力腐蚀而导致波纹管失效。二是失稳变形。由于波纹管的内外压力不均衡而导致平面失稳，在外压状态下波纹管会出现周向失稳，这两种失稳都属于强度失稳；同时由于内压波纹管补偿器的柱失稳会导致结构失稳。

1.2 疲劳寿命、稳定性、应力腐蚀之间的关系分析

在对波纹管进行设计的过程中，除了要考虑其耐压强度与稳定性以外，还要对其波劳性进行考量。目前，国内外对这些因素的计算与评价标准都较为明确，然而在实际应用中总结波纹管失效的原因可发现，有关稳定性的计算方式与评价方法仍有待完善，波劳寿命的界限范围的适用性并不高。即使生产出的产品与标准要求完全一致，在使用时也存在失效的可能。在进行压力试验时，如果补偿器属于内压轴向型预变位状态会导致波纹管出现平面失稳问题，如果波纹管补偿器属于直径较大的外压轴向型，其处于全位移工作状态时将会出现周向失稳问题，如补偿器为直径较小的复式拉杆型或铰链型全位移状态，将会出现柱失稳。如波纹管变形较为严重将会影响其稳定性，同时出现应力腐蚀的现象。

1.2.1 波纹管疲劳寿命及其综合应力的关系分析

疲劳寿命会对波纹管的补偿量受到影响，且疲劳寿命与波纹管的单波补偿量呈反比关系。部分企业在生产波纹管时会降低波劳寿命以实现单波补偿量提高的目的，然而这会引发位移，使波纹管的子午向弯曲应力显著提高，同时其综合应力也会明显变大，进而对波纹管的稳定性产生直接影响。

1.2.2 波纹管综合应力及其耐压强度的关系分析

通过分析波纹管平面及周向稳定性的计算及评定方法可以发现，二者的强度问题较为明显。在设计波纹管时，在许用寿命较低状态下，波纹管的午向综合应力与环向应力都较高，因此，波纹管出现局部较陡的情况进而导致其出现塑性变形，因此，波纹管会出现失稳问题。如为内压波纹管，在波纹管的波峰及波谷位置位移应力会出现塑形铰，在其与压力应力的作用下，将对导致波纹管出现平面失稳问题。基于此，在位移情况下，低疲劳比高疲劳寿命波纹管的平面失稳压力更低。在波纹器处于预变位状态时，波纹管的位移量为许用值的一半，其疲劳寿命为200 次，压力值无需达到允许设计压力的顶峰即会产生平面失稳问题。如波纹管的许用疲劳寿命高达一千次，压力值为允许设计压力顶峰时，波纹管保持平面稳定状态，而当压力值超过允许设计压力值的50%时，波纹管将会出现平面失稳问题。而当波纹管的疲劳寿命设计值为二千次，在压力值超过允许设计压力值的50%时其仍可保持平面状态的稳定。通过分析外压波纹管的纵向剖面，可将其看作为正在承受压力的拱梁，在运行时波纹管会被拉伸，其拱梁的高度会降低，因此波纹管的稳定性将会受到破坏。在波纹管出现较为明显的单波位移时，波纹管会向平直部分进行倾斜，进而导致波纹管的波峰直径逐渐缩小，然而由于波峰的圆环直径是固定不变的，因此，波峰会坍塌以防出现变形，此时波纹管会出现周向失稳问题。在国内与国际相关标准当中，都未对波纹管外压周向稳定性与位移之间的关系进行明确，此方面仍需进一步研究。在热力管网应用过程中，并不会因疲劳而导致破坏性问题，然而如果波纹管的疲劳寿命设计过低，必然会引发严重的后果。

1.2.3 补偿器位移及其柱稳定性的关系分析

如波纹管补偿器属于复位拉杆型或铰链型，波纹管的角变位会导致中间管段出现倾斜进而引发横向位移。一旦波纹管出现角变位，与凹陷侧相比，凸出侧的承压面积更大，此时会在补偿器的横向方向施加较大的力，进而导致轴向型补偿器出现柱失稳现象。因此，波纹管出现较大的单波位移，波偿器将会出现明显的横向位移，进而导致柱失稳问题发生。

2 波纹管补偿器的可靠性分析

2.1 可靠性设计

2.1.1 波纹管的材料选择

在对供热管网所应用的波纹管进行材料选择时，不仅要分析介质、温度以及外部环境，还要考虑是否存在应力腐蚀的可能，并对材料受到水处理剂及管理清洗剂的影响情况进行分析，此外，还要根据波纹管材料的焊接、成型以及性价比进行探讨，进而筛选出最适合制作波纹管的材料。首先，制作波纹管的材料应具有较强的塑形，可以为波纹管的成形提供保障，经过后续处理后波纹管的硬度及强度会有所提升。其次，制作材料应具有较强的高弹性能，且抗拉及抗疲劳能力较强，可为波纹管的正常使用提供保障。再次，选择材料应具有较强的可焊接性。最后，腐蚀性也要相对较强，保证波纹管可用于多种不同的环境状态下。大部分生产厂家会使用奥氏体不锈钢作为波纹管的制作材料。同时，316 及316L 是性价比较高的波纹管制作材料，可以显著提升其耐蚀性能。如热力管网铺设于地势低洼地带，且补偿器位于管道的较低处，在雨水或由于事故原因而出现的污水浸泡下，波纹管会出现腐蚀现象，因此，应选择抗腐蚀性能良好的材料进行波纹管的制作。然而此类材料的价格相对较高，因此可在材料表面覆盖耐蚀合金以提高波纹管的抗腐蚀性。

2.1.2 设计波纹管的疲劳寿命

通过分析波纹管补偿器的失效类型及其失效原因，发现波纹管的疲劳寿命会对其平面以及周向稳定性产生影响，同时也与其抗腐蚀性有着直接的关联。如设计的疲劳寿命过低，将会对波纹管的稳定性与抗腐蚀性产生破坏，通过实践分析发现，在供热工程当中波纹管的疲劳寿命设计值应高于一千次。通常外部环境会对波纹管进行腐蚀进而导致波纹管失效，基于此，在设计补偿器结构时，应对波纹管与外界的腐蚀性介质进行隔离。可在外压轴向型补偿器出口处的端环及出口管之间加装填料密封装置，其与套筒补偿器所发挥的作用较为相似，不仅可以有效隔绝外部腐蚀性介质，也可保障补偿器的安全，在波纹管受到损坏的情况下，补偿器也可发挥出补偿作用以降低波纹管失效问题的发生。