淺談國內波紋管膨脹節在供熱工程中的應用與設計

波紋管膨脹節作為補償性能良好，維護使用簡便的補償元件，在國內外供熱管網中得到了越來越廣泛的應用。國內自八十年代中期大面積采用集中供熱以來，波紋管膨脹節越來越多的取代了傳統套筒補償，為城市的現代化建設作出了貢獻。

隨著使用年限的增加，波紋管膨脹節失效偶有發生，雖然比例很低，由于直接關系百姓的生活，已越來越多的引起有關方面的關注。因而有必要對近十幾年波紋管膨脹節的用量，失效膨脹節的數量，膨脹節失效原因進行詳細的分析，以其對此類補償裝置的安全性可靠性有全面的了解。針對波紋管膨脹節在使用過程中出現的問題，確定合理的解決方法，提高波紋管膨脹節的安全可靠性。1 、波紋管膨脹節可靠性分析波紋管膨脹節之所以能夠在許多行業中得到廣泛應用，除具有良好的補償能力之外，高可靠性是使波紋管膨脹節在眾多補償器中脫穎而出的主要原因。與套筒補償器、球形補償器等機械密封形補償器相比，波紋管膨脹節不存在密封性能隨位移循環而降低的問題。由于波紋管為一薄壁撓性元件，在高應力狀態下工作，是管系中最薄弱的部位，因而波紋管膨脹節的安全可靠性成為用戶最為關心的問題。波紋管膨脹節的的可靠性是通過設計、制造、安裝、運行管理等多個環節保證的，任何一個環節的失控都會導致膨脹節壽命的降低甚至失效，即便如此，從近十幾年波紋管膨脹節在供熱工程中的應用實踐來看，其可靠度還是很高的。2、 供熱管網用波紋管膨脹節概況及失效原因分析2.1 供熱管網類型國內供熱管網可粗分為架空管線、地溝敷設和直埋敷設三種。架空管線具有敷設方式靈活，根據管線走向，可采用不同結構型式的膨脹節，在滿足補償要求的同時降低工程造價。架空管線由于膨脹節暴露于外部環境中，因而外部大氣環境的優劣對波紋管的影響較大。對于地溝敷設的供熱管網，當溝內保持清潔干燥無污染時，是膨脹節比較理想的工作環境;但當地溝存在污水、融雪鹽水或其它腐蝕性介質時，將會對波紋管產生腐蝕，其腐蝕狀況與小室積水的成分相關。九十年代后期，國內供熱管網大量選擇直埋管網，由于管線直埋于土壤，膨脹節與管線接口處很難理想密封，因而土壤環境及地下水質條件成為波紋管膨脹節結構設計和選材必須考慮的因素。2.2 供熱管網波紋管用材由于300系不銹鋼在大氣、水蒸氣及淡水等介質中具有良好的耐蝕性，因而在國外供熱管網中一直是波紋管的主流用材。國內集中供熱用波紋管最初均選擇300系不銹鋼中最低檔的1Cr18Ni9Ti或304不銹鋼。八十年代末供熱管網直埋技術傳入我國，由于直埋管線不用開地溝，可節約管溝敷設費用，一次性投資較低，且符合城市美化環境的要求，因而發展很快。在地下水位較低的地區，直埋波紋管膨脹節一般選用外壓或內壓加外套管結構，不考慮環境腐蝕問題。在地下水位較高且地下水中含有氯離子、硫離子、堿等腐蝕性介質的地區，直埋波紋管膨脹節一般選用聯合保護型結構。此類膨脹節由工作波紋管和保護波紋管組成，工作波紋管由300系不銹鋼制造，保護波紋管由300系不銹鋼加防腐涂料或由高鎳耐蝕合金制造。保護波紋管的作用是將外部腐蝕環境與工作波紋管隔絕開來，保護工作波紋管不受外部腐蝕介質的侵蝕。隨著近些年江河水質、城市地下水質條件的變化，供熱管網內部介質也有了較大的變化，尤其在沿海地區、重工業地區，供熱介質中所含有害物質如氯離子、硫離子、游離氧越來越多。由于300系不銹鋼對氯離子引起的應力腐蝕比較敏感，這些地區的用戶對300系不銹鋼制波紋管有些擔心，為了保證波紋管的安全使用，在于介質接觸的部分增設耐蝕金屬層。2.3 供熱管網波紋管膨脹節的失效類型及原因分析2.3.1 波紋管失效類型供熱管網用波紋管膨脹節的失效在管線試壓和運行期間均有發生。管線試壓時出現問題主要有兩種類型，(1)由于管系臨時支撐不當，或管系固定支架設置不合理，導致支架破壞，波紋管過量變形而失效;(2)由于波紋管設計所考慮的壓力或位移安全裕度不夠，管線試壓時波紋管產生失穩變形失。波紋管在運行期間的失效主要表現為腐蝕泄漏和失穩變形兩種形式，其中又以腐蝕失效居多。從腐蝕失效波紋管的解剖分析發現，腐蝕失效通常分兩種類型：點腐蝕穿孔和應力腐蝕開裂;其中氯離子應力腐蝕開裂約占整個腐蝕失效的95%。波紋管失穩有兩種類型：強度失穩和結構失穩;強度失穩包括內外壓波紋管平面失穩和外壓波紋管周向失穩，結構失穩是內壓波紋管膨脹節的柱失穩。2.3.2 波紋管失效原因分析2.3.2.1波紋管腐蝕失效原因從近二十年波紋管在供熱管網的應用實踐來看，波紋管的腐蝕失效與內部輸送介質和外部環境條件均有關系。當內部介質符合標準要求時，外部環境的腐蝕是造成波紋管失效的主要原因。架空管網在安裝完畢后，通常會將管道連波紋管膨脹節一起包覆于密封的外護層中，當外護層密封不理想時，大氣中的腐蝕介質、酸雨、沿海地區鹽霧等均會對波紋管造成腐蝕。但至今尚無架空管線腐蝕失效的報道。地溝敷設是城市集中供熱最常見的敷設方式。理想的地溝環境是適合波紋管工作的。當地溝中存在污水、含鹽堿的地下水、融雪鹽水或其它腐蝕性介質時，用300系不銹鋼制造的波紋管往往使用一個或幾個供暖周期就腐蝕失效。直埋管網用波紋管膨脹節由于管線直埋于地下，膨脹節與管道接口處很難實現理想的密封連接，因此直埋管網波紋管最常見失效是由于外部腐蝕介質引起的。2.3.2.2 波紋管設計疲勞壽命與穩定性及應力腐蝕的關系眾所周知，波紋管的設計主要考慮三個方面的因素：耐壓強度、穩定性和疲勞性能。在國家標準和美國EJMA標準中，對這幾方面的計算和評定都有明確的規定。從多年的應用實踐中，尤其是從一些波紋管失效分析中，感到標準中給出的關于穩定性的計算和評定方法不夠全面; 關于疲勞壽命也僅給出了比較粗的界限范圍(平均疲勞壽命Nc在103～105適用)。有時，一個完全符合標準要求的產品，在實際使用時也會出現一些問題。如內壓軸向型膨脹節預變位狀態在壓力試驗時波紋管易產生平面失穩，大直徑外壓軸向型膨脹節全位移工作狀態波紋管易產生周向失穩，小直徑復式拉桿型膨脹節、鉸鏈型膨脹節全位移工作狀態易產生柱失穩。波紋管過大的變形不僅對其穩定性造成影響，變形引起的綜合應力的增加，還會為應力腐蝕提供有利的環境條件。以下將就波紋管穩定性與疲勞壽命(單波補償量)的關系及波紋管綜合應力與應力腐蝕的關系進行簡要分析。a. 波紋管疲勞壽命與其綜合應力波紋管的補償量取決與其疲勞壽命，要求的疲勞壽命越高，波紋管單波補償量越小。為了降低成本，提高單波補償量，有些生產廠家將波紋管的許用疲勞壽命降的很低。這樣就導致由位移引起的波紋管子午向彎曲應力很大，綜合應力很高，大大降低了波紋管的穩定性。b. 波紋管的綜合應力與其耐壓強度由標準中給出的波紋管平面穩定性和周向穩定性的計算方法和評定標準可以看出， 其實二者反映的均為強度問題。當波紋管設計的許用壽命較低時，不僅其子午向綜合應力較高，其環向應力也比較高，使得波紋管局部很快進入塑性，導致波紋管產生失穩。對于內壓波紋管，位移應力在波紋管波峰和波谷處形成塑性鉸，再加上壓力應力，波紋管很快產生平面失穩。這就是低疲勞壽命波紋管在位移條件下平面失穩壓力遠低于高疲勞壽命的波紋管的根本原因。例如在預變位狀態下，即波紋管位移量為許用值的1/2時，一個許用疲勞壽命為200次的波紋管，尚未達到其允許設計壓力時，已經產生平面失穩;許用疲勞壽命為1000次的波紋管，達到設計壓力時，波紋管處于平面穩定狀態，達到1.5倍設計壓力時，波紋管處于臨界失穩狀態;許用疲勞壽命為2000次的波紋管達到設計壓力1.5倍時，波紋管仍處于平面穩定狀態。外壓波紋管從縱向剖面看，相當于一個受壓力的拱梁，工作時波紋管處于拉伸狀態，相當于拱梁降低了拱高，其抗失穩的能力自然降低。當波紋管單波位移過大時，波紋平直部分傾斜，使得波紋管波峰直徑有縮小的趨勢，但波峰圓環直徑是確定的，為了協調變形，就會產生波峰塌陷，波紋管周向失穩。在國內外相應的標準中，關于位移對波紋管外壓周向穩定性的影響均未涉及，有待于深入探討。綜上所述，雖然至今為止在供熱管網的應用過程中尚未發現由疲勞而引起的破壞，但波紋管過低的設計疲勞壽命，可能會導致災難性的后果。c. 膨脹節位移與其柱穩定性對于復式拉桿型和鉸鏈型膨脹節，橫向位移是由波紋管角變位引起中間管段傾斜實現的。當波紋管產生角變位時，波紋管凸出側承壓面積大于凹陷側承壓面積，導致膨脹節附加了一個橫向力，較之軸向型膨脹節更易產生柱失穩。顯然波紋管單波位移越大，膨脹節橫向位移越大，越易產生柱失穩。d. 波紋管綜合應力與應力腐蝕過高的綜合應力不僅會使波紋管局部很快進入塑性狀態，導致波紋管的失穩，并且對應力腐蝕的影響也很大。同樣條件下，波紋管應力越高其產生應力腐蝕的傾向越明顯。3、 波紋管膨脹節可靠性設計如前所述，波紋管膨脹節的可靠性是由設計、制造、安裝及運行管理等多個環節構成的。可靠性設計也應該從這幾方面考慮。3.1 波紋管的可靠性設計3.1.1 波紋管材料選擇對用于供熱管網的波紋管的選材，除應考慮工作介質、工作溫度和外部環境外。還應考慮應力腐蝕的可能性、水處理劑和管道清洗劑對材料的影響等，并在此基礎上結合波紋管材料的焊接、成型以及材料的性能價格比，優選出經濟實用的波紋管材料。在大氣、水蒸氣和淡水等弱介質中，300系不銹鋼是耐蝕的。這一點已在眾多城市供熱管網中的成功應用中都得到了證實。為了提高波紋管的耐蝕性，現供熱管網波紋管的用材多選用316或316L，這兩種材料用于熱力管網應該是性能價格比較為優良的材料。對于地溝敷設的熱力管網，當膨脹節所處管道地勢較低，雨水或事故性污水不可避免的會浸泡波紋管時，應考慮選用耐蝕性更強的材料。，如鐵鎳合金、高鎳合金等。由于此類材料價格較高，在制造波紋管時，可以考慮僅在與腐蝕性介質接觸的表面增加一層耐蝕合金。3.1.2 疲勞壽命設計由波紋管膨脹節的失效類型及原因分析可以看出，波紋管的平面穩定性、周向穩定性及耐腐蝕性能均與其位移量即疲勞壽命相關。過低的疲勞壽命將會導致波紋管穩定性及耐蝕性能下降。根據以往的試驗及使用經驗，用于供熱工程的波紋管疲勞壽命應不小于1000次。3.2 膨脹節的可靠性設計縱觀供熱工程中使用的波紋管膨脹節的失效形式，除個別資質不全的小廠波紋管膨脹節易出現制造質量問題外，大多數波紋管的失效是由于腐蝕引起的，且多為外部環境腐蝕造成的。因此在進行膨脹節的結構設計時，可考慮隔絕外部腐蝕介質與波紋管的接觸。如對于外壓軸向型膨脹節可在出口端環與出口管之間增加填料密封裝置，其作用相當于套筒補償器，既可抵擋外部腐蝕介質的侵入，又給波紋管膨脹節增加了一道安全屏障，即使波紋管破壞，膨脹節還可以起到補償作用并可避免波紋管失效產生災難性的后果。