供热管网波纹管补偿器.doc

1、1供 热 管 网 波 纹 管 补 偿 器 爆 裂 破 损 原 因 分 析 及 解 决 方 法北 京 市 热 力 集 团 闻 作 祥 吴 星 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

2、 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

3、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。 2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

4、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3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

5、 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

6、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4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

7、， 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

8、 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

9、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 5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 5.5

10、3 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 10.63 2.02 50.88 1.29 3.54 5.67 0.57 1.50 0.67 6

11、6.16 2.37 4.13 4.06 2.83 1.87 3.28 1.11 3.42 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

12、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 M

13、n P S Cr Ni Fe 7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 18.0020.00 8.0010.50 余量 0Cr19Ni9 (GB1220-92) 0.08 1.0 2.0 0.0035 0 0030 18.0020.00 8.0010.50 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

14、 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

15、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 。 8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

16、况 条 件 下 波 纹 管 角 位 移 平 面 内 凸 侧 最 大 拉 力 BMAX作 一 对 比 ， 如 表3 所 示 表 3 四 种 工 况 下 波 纹 管 的 BMAX值 内 压 P/MPa 角 位 移 BMAX/MPa 设 计 工 况 1.6 9o 543.14 0.86 7o 446.2 0.86 8o 535.7 工 作 工 况 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

17、 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 92.5.1 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 Nm/ 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

18、 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 10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 290 oC 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

19、 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

20、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11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

21、 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

22、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

23、 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 。 123 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

24、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

25、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

26、 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 。 133. 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

27、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

28、 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14的 ， 但 并 不 等 于 是 免 检 查 的 ， 要 切 实 加 强 对

29、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

30、 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 .