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1A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）

2。

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

图2B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3C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冋题，并在此基础上提出解决冋题的方法。

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

1.49

4.22

4.24

1.12

0.82

0.43

2.47

0.29

5.53

0.72

1.29

0.35

2.58

1.33

0.47

CI

1.07

2.35

1.25

0.67

12.15

12.15

3.44

24.29

4.02

16.46

6.45

9.77

3.39

1.93

31.13

1.11

11.72

9.89

0.75

5.69

0.17

Si

3.81

2.88

3.31

3.76

1.90

17.51

4.11

1.76

0.61

9.01

1.35

1.35

0.24

1.15

2.38

0.23

S

1.66

0.82

0.39

0.31

0.31

0.98

4.11

2.21

10.63

50.88

1.29

3.54

5.67

1.50

0.67

Ca

6.16

2.02

4.13

2.83

0.57

1.11

1.01

2.37

4.06

1.87

3.42

1.02

3.28

1.34

22.82

2.58

60.27

5.04

7.65

20.28

27.35

17.72

Cr

51.11

34.53

17.87

44.25

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

0.054

0.55

1.01

0.0035

0.0030

17.98

8.07

余

基材

量

304SS

<0.08

<1.0

<2.0

<0.0035

<00

18.00〜

8.00〜

余

（AISI）

0030

20.00

10.50

量

0Cr19Ni9

<0.08

<1.0

<2.0

<0.0035

18.00〜

8.00〜

余

（GB1220-92）

0.0030

20.00

10.50

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

A区域或凸边B区域上，将各种工况条件下波纹管

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

角位移平面内凸侧最大拉力OBMAX作一对比，如表3所示

表3四种工况下波纹管的&MAX值

内压P/MPa

角位移

怎max/MPa

设计工况

1.6

9。

543.14

工作工况

0.86

7。

446.2

0.86

8。

535.7

0.86

9。

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

2.5.1A、B波纹管原始设计参数：

设计压力：

1.6Mpa

设计温度：

350°C

额定角位移：

9°（A、B波纹管）

角位移刚度：

3562N-rm/°

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

2.5.2C波纹管原始设计参数

设计压力：

1.6Mpa

设计温度：

300°C

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290°C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。

y

142m

A117m

105m

30irr

图5B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

4波波纹管的刚度较小，致使应力主要集中在4波波纹

量，但补偿量已接近极限，同时，由于两个波纹管型号不一，

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

2．7．1A、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。

2．7．3304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