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 |
|
|
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
5.53
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
6.16
2.37 |
10.63
2.02 |
50.88
4.13
4.06 |
1.29
2.83
1.87
3.28 |
3.54 |
5.67
0.57 |
1.50
1.11
3.42 |
0.67
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
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 |
18.00～20.00 |
8.00～10.50 |
余量 |
|
0Cr19Ni9
(GB1220-92) |
≤0.08 |
≤1.0 |
≤2.0 |
≤0.0035 |
≤
0．0030 |
18.00～20.00 |
8.00～10.50 |
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
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，将各种工况条件下波纹管角位移平面内凸侧最大拉力σBMAX作一对比，如表3所示
表3
四种工况下波纹管的δBMAX值
|
|
内压P/MPa |
角位移 |
δBMAX/MPa |
|
设计工况 |