淺談國(guó)內(nèi)波紋管膨脹節(jié)在供熱工程中的應(yīng)用與設(shè)計(jì)

波紋管膨脹節(jié)作為補(bǔ)償性能良好，維護(hù)使用簡(jiǎn)便的補(bǔ)償元件，在國(guó)內(nèi)外供熱管網(wǎng)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)自八十年代中期大面積采用集中供熱以來(lái)，波紋管膨脹節(jié)越來(lái)越多的取代了傳統(tǒng)套筒補(bǔ)償，為城市的現(xiàn)代化建設(shè)作出了貢獻(xiàn)。

隨著使用年限的增加，波紋管膨脹節(jié)失效偶有發(fā)生，雖然比例很低，由于直接關(guān)系百姓的生活，已越來(lái)越多的引起有關(guān)方面的關(guān)注。因而有必要對(duì)近十幾年波紋管膨脹節(jié)的用量，失效膨脹節(jié)的數(shù)量，膨脹節(jié)失效原因進(jìn)行詳細(xì)的分析，以其對(duì)此類(lèi)補(bǔ)償裝置的安全性可靠性有全面的了解。針對(duì)波紋管膨脹節(jié)在使用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，確定合理的解決方法，提高波紋管膨脹節(jié)的安全可靠性。1 、波紋管膨脹節(jié)可靠性分析波紋管膨脹節(jié)之所以能夠在許多行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，除具有良好的補(bǔ)償能力之外，高可靠性是使波紋管膨脹節(jié)在眾多補(bǔ)償器中脫穎而出的主要原因。與套筒補(bǔ)償器、球形補(bǔ)償器等機(jī)械密封形補(bǔ)償器相比，波紋管膨脹節(jié)不存在密封性能隨位移循環(huán)而降低的問(wèn)題。由于波紋管為一薄壁撓性元件，在高應(yīng)力狀態(tài)下工作，是管系中最薄弱的部位，因而波紋管膨脹節(jié)的安全可靠性成為用戶(hù)最為關(guān)心的問(wèn)題。波紋管膨脹節(jié)的的可靠性是通過(guò)設(shè)計(jì)、制造、安裝、運(yùn)行管理等多個(gè)環(huán)節(jié)保證的，任何一個(gè)環(huán)節(jié)的失控都會(huì)導(dǎo)致膨脹節(jié)壽命的降低甚至失效，即便如此，從近十幾年波紋管膨脹節(jié)在供熱工程中的應(yīng)用實(shí)踐來(lái)看，其可靠度還是很高的。2、 供熱管網(wǎng)用波紋管膨脹節(jié)概況及失效原因分析2.1 供熱管網(wǎng)類(lèi)型國(guó)內(nèi)供熱管網(wǎng)可粗分為架空管線、地溝敷設(shè)和直埋敷設(shè)三種。架空管線具有敷設(shè)方式靈活，根據(jù)管線走向，可采用不同結(jié)構(gòu)型式的膨脹節(jié)，在滿(mǎn)足補(bǔ)償要求的同時(shí)降低工程造價(jià)。架空管線由于膨脹節(jié)暴露于外部環(huán)境中，因而外部大氣環(huán)境的優(yōu)劣對(duì)波紋管的影響較大。對(duì)于地溝敷設(shè)的供熱管網(wǎng)，當(dāng)溝內(nèi)保持清潔干燥無(wú)污染時(shí)，是膨脹節(jié)比較理想的工作環(huán)境;但當(dāng)?shù)販洗嬖谖鬯⑷谘}水或其它腐蝕性介質(zhì)時(shí)，將會(huì)對(duì)波紋管產(chǎn)生腐蝕，其腐蝕狀況與小室積水的成分相關(guān)。九十年代后期，國(guó)內(nèi)供熱管網(wǎng)大量選擇直埋管網(wǎng)，由于管線直埋于土壤，膨脹節(jié)與管線接口處很難理想密封，因而土壤環(huán)境及地下水質(zhì)條件成為波紋管膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和選材必須考慮的因素。2.2 供熱管網(wǎng)波紋管用材由于300系不銹鋼在大氣、水蒸氣及淡水等介質(zhì)中具有良好的耐蝕性，因而在國(guó)外供熱管網(wǎng)中一直是波紋管的主流用材。國(guó)內(nèi)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(wǎng)直埋技術(shù)傳入我國(guó)，由于直埋管線不用開(kāi)地溝，可節(jié)約管溝敷設(shè)費(fèi)用，一次性投資較低，且符合城市美化環(huán)境的要求，因而發(fā)展很快。在地下水位較低的地區(qū)，直埋波紋管膨脹節(jié)一般選用外壓或內(nèi)壓加外套管結(jié)構(gòu)，不考慮環(huán)境腐蝕問(wèn)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(zhì)的地區(qū)，直埋波紋管膨脹節(jié)一般選用聯(lián)合保護(hù)型結(jié)構(gòu)。此類(lèi)膨脹節(jié)由工作波紋管和保護(hù)波紋管組成，工作波紋管由300系不銹鋼制造，保護(hù)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(hù)波紋管的作用是將外部腐蝕環(huán)境與工作波紋管隔絕開(kāi)來(lái)，保護(hù)工作波紋管不受外部腐蝕介質(zhì)的侵蝕。隨著近些年江河水質(zhì)、城市地下水質(zhì)條件的變化，供熱管網(wǎng)內(nèi)部介質(zhì)也有了較大的變化，尤其在沿海地區(qū)、重工業(yè)地區(qū)，供熱介質(zhì)中所含有害物質(zhì)如氯離子、硫離子、游離氧越來(lái)越多。由于300系不銹鋼對(duì)氯離子引起的應(yīng)力腐蝕比較敏感，這些地區(qū)的用戶(hù)對(duì)300系不銹鋼制波紋管有些擔(dān)心，為了保證波紋管的安全使用，在于介質(zhì)接觸的部分增設(shè)耐蝕金屬層。2.3 供熱管網(wǎng)波紋管膨脹節(jié)的失效類(lèi)型及原因分析2.3.1 波紋管失效類(lèi)型供熱管網(wǎng)用波紋管膨脹節(jié)的失效在管線試壓和運(yùn)行期間均有發(fā)生。管線試壓時(shí)出現(xiàn)問(wèn)題主要有兩種類(lèi)型，(1)由于管系臨時(shí)支撐不當(dāng)，或管系固定支架設(shè)置不合理，導(dǎo)致支架破壞，波紋管過(guò)量變形而失效;(2)由于波紋管設(shè)計(jì)所考慮的壓力或位移安全裕度不夠，管線試壓時(shí)波紋管產(chǎn)生失穩(wěn)變形失。波紋管在運(yùn)行期間的失效主要表現(xiàn)為腐蝕泄漏和失穩(wěn)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(fā)現(xiàn)，腐蝕失效通常分兩種類(lèi)型：點(diǎn)腐蝕穿孔和應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂;其中氯離子應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂約占整個(gè)腐蝕失效的95%。波紋管失穩(wěn)有兩種類(lèi)型：強(qiáng)度失穩(wěn)和結(jié)構(gòu)失穩(wěn);強(qiáng)度失穩(wěn)包括內(nèi)外壓波紋管平面失穩(wěn)和外壓波紋管周向失穩(wěn)，結(jié)構(gòu)失穩(wěn)是內(nèi)壓波紋管膨脹節(jié)的柱失穩(wěn)。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(wǎng)的應(yīng)用實(shí)踐來(lái)看，波紋管的腐蝕失效與內(nèi)部輸送介質(zhì)和外部環(huán)境條件均有關(guān)系。當(dāng)內(nèi)部介質(zhì)符合標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，外部環(huán)境的腐蝕是造成波紋管失效的主要原因。架空管網(wǎng)在安裝完畢后，通常會(huì)將管道連波紋管膨脹節(jié)一起包覆于密封的外護(hù)層中，當(dāng)外護(hù)層密封不理想時(shí)，大氣中的腐蝕介質(zhì)、酸雨、沿海地區(qū)鹽霧等均會(huì)對(duì)波紋管造成腐蝕。但至今尚無(wú)架空管線腐蝕失效的報(bào)道。地溝敷設(shè)是城市集中供熱最常見(jiàn)的敷設(shè)方式。理想的地溝環(huán)境是適合波紋管工作的。當(dāng)?shù)販现写嬖谖鬯⒑}堿的地下水、融雪鹽水或其它腐蝕性介質(zhì)時(shí)，用300系不銹鋼制造的波紋管往往使用一個(gè)或幾個(gè)供暖周期就腐蝕失效。直埋管網(wǎng)用波紋管膨脹節(jié)由于管線直埋于地下，膨脹節(jié)與管道接口處很難實(shí)現(xiàn)理想的密封連接，因此直埋管網(wǎng)波紋管最常見(jiàn)失效是由于外部腐蝕介質(zhì)引起的。2.3.2.2 波紋管設(shè)計(jì)疲勞壽命與穩(wěn)定性及應(yīng)力腐蝕的關(guān)系眾所周知，波紋管的設(shè)計(jì)主要考慮三個(gè)方面的因素：耐壓強(qiáng)度、穩(wěn)定性和疲勞性能。在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和美國(guó)EJMA標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)這幾方面的計(jì)算和評(píng)定都有明確的規(guī)定。從多年的應(yīng)用實(shí)踐中，尤其是從一些波紋管失效分析中，感到標(biāo)準(zhǔn)中給出的關(guān)于穩(wěn)定性的計(jì)算和評(píng)定方法不夠全面; 關(guān)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(shí)，一個(gè)完全符合標(biāo)準(zhǔn)要求的產(chǎn)品，在實(shí)際使用時(shí)也會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題。如內(nèi)壓軸向型膨脹節(jié)預(yù)變位狀態(tài)在壓力試驗(yàn)時(shí)波紋管易產(chǎn)生平面失穩(wěn)，大直徑外壓軸向型膨脹節(jié)全位移工作狀態(tài)波紋管易產(chǎn)生周向失穩(wěn)，小直徑復(fù)式拉桿型膨脹節(jié)、鉸鏈型膨脹節(jié)全位移工作狀態(tài)易產(chǎn)生柱失穩(wěn)。波紋管過(guò)大的變形不僅對(duì)其穩(wěn)定性造成影響，變形引起的綜合應(yīng)力的增加，還會(huì)為應(yīng)力腐蝕提供有利的環(huán)境條件。以下將就波紋管穩(wěn)定性與疲勞壽命(單波補(bǔ)償量)的關(guān)系及波紋管綜合應(yīng)力與應(yīng)力腐蝕的關(guān)系進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。a. 波紋管疲勞壽命與其綜合應(yīng)力波紋管的補(bǔ)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(bǔ)償量越小。為了降低成本，提高單波補(bǔ)償量，有些生產(chǎn)廠家將波紋管的許用疲勞壽命降的很低。這樣就導(dǎo)致由位移引起的波紋管子午向彎曲應(yīng)力很大，綜合應(yīng)力很高，大大降低了波紋管的穩(wěn)定性。b. 波紋管的綜合應(yīng)力與其耐壓強(qiáng)度由標(biāo)準(zhǔn)中給出的波紋管平面穩(wěn)定性和周向穩(wěn)定性的計(jì)算方法和評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)可以看出， 其實(shí)二者反映的均為強(qiáng)度問(wèn)題。當(dāng)波紋管設(shè)計(jì)的許用壽命較低時(shí)，不僅其子午向綜合應(yīng)力較高，其環(huán)向應(yīng)力也比較高，使得波紋管局部很快進(jìn)入塑性，導(dǎo)致波紋管產(chǎn)生失穩(wěn)。對(duì)于內(nèi)壓波紋管，位移應(yīng)力在波紋管波峰和波谷處形成塑性鉸，再加上壓力應(yīng)力，波紋管很快產(chǎn)生平面失穩(wěn)。這就是低疲勞壽命波紋管在位移條件下平面失穩(wěn)壓力遠(yuǎn)低于高疲勞壽命的波紋管的根本原因。例如在預(yù)變位狀態(tài)下，即波紋管位移量為許用值的1/2時(shí)，一個(gè)許用疲勞壽命為200次的波紋管，尚未達(dá)到其允許設(shè)計(jì)壓力時(shí)，已經(jīng)產(chǎn)生平面失穩(wěn);許用疲勞壽命為1000次的波紋管，達(dá)到設(shè)計(jì)壓力時(shí)，波紋管處于平面穩(wěn)定狀態(tài)，達(dá)到1.5倍設(shè)計(jì)壓力時(shí)，波紋管處于臨界失穩(wěn)狀態(tài);許用疲勞壽命為2000次的波紋管達(dá)到設(shè)計(jì)壓力1.5倍時(shí)，波紋管仍處于平面穩(wěn)定狀態(tài)。外壓波紋管從縱向剖面看，相當(dāng)于一個(gè)受壓力的拱梁，工作時(shí)波紋管處于拉伸狀態(tài)，相當(dāng)于拱梁降低了拱高，其抗失穩(wěn)的能力自然降低。當(dāng)波紋管單波位移過(guò)大時(shí)，波紋平直部分傾斜，使得波紋管波峰直徑有縮小的趨勢(shì)，但波峰圓環(huán)直徑是確定的，為了協(xié)調(diào)變形，就會(huì)產(chǎn)生波峰塌陷，波紋管周向失穩(wěn)。在國(guó)內(nèi)外相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)中，關(guān)于位移對(duì)波紋管外壓周向穩(wěn)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(wǎng)的應(yīng)用過(guò)程中尚未發(fā)現(xiàn)由疲勞而引起的破壞，但波紋管過(guò)低的設(shè)計(jì)疲勞壽命，可能會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。c. 膨脹節(jié)位移與其柱穩(wěn)定性對(duì)于復(fù)式拉桿型和鉸鏈型膨脹節(jié)，橫向位移是由波紋管角變位引起中間管段傾斜實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)波紋管產(chǎn)生角變位時(shí)，波紋管凸出側(cè)承壓面積大于凹陷側(cè)承壓面積，導(dǎo)致膨脹節(jié)附加了一個(gè)橫向力，較之軸向型膨脹節(jié)更易產(chǎn)生柱失穩(wěn)。顯然波紋管單波位移越大，膨脹節(jié)橫向位移越大，越易產(chǎn)生柱失穩(wěn)。d. 波紋管綜合應(yīng)力與應(yīng)力腐蝕過(guò)高的綜合應(yīng)力不僅會(huì)使波紋管局部很快進(jìn)入塑性狀態(tài)，導(dǎo)致波紋管的失穩(wěn)，并且對(duì)應(yīng)力腐蝕的影響也很大。同樣條件下，波紋管應(yīng)力越高其產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的傾向越明顯。3、 波紋管膨脹節(jié)可靠性設(shè)計(jì)如前所述，波紋管膨脹節(jié)的可靠性是由設(shè)計(jì)、制造、安裝及運(yùn)行管理等多個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成的。可靠性設(shè)計(jì)也應(yīng)該從這幾方面考慮。3.1 波紋管的可靠性設(shè)計(jì)3.1.1 波紋管材料選擇對(duì)用于供熱管網(wǎng)的波紋管的選材，除應(yīng)考慮工作介質(zhì)、工作溫度和外部環(huán)境外。還應(yīng)考慮應(yīng)力腐蝕的可能性、水處理劑和管道清洗劑對(duì)材料的影響等，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合波紋管材料的焊接、成型以及材料的性能價(jià)格比，優(yōu)選出經(jīng)濟(jì)實(shí)用的波紋管材料。在大氣、水蒸氣和淡水等弱介質(zhì)中，300系不銹鋼是耐蝕的。這一點(diǎn)已在眾多城市供熱管網(wǎng)中的成功應(yīng)用中都得到了證實(shí)。為了提高波紋管的耐蝕性，現(xiàn)供熱管網(wǎng)波紋管的用材多選用316或316L，這兩種材料用于熱力管網(wǎng)應(yīng)該是性能價(jià)格比較為優(yōu)良的材料。對(duì)于地溝敷設(shè)的熱力管網(wǎng)，當(dāng)膨脹節(jié)所處管道地勢(shì)較低，雨水或事故性污水不可避免的會(huì)浸泡波紋管時(shí)，應(yīng)考慮選用耐蝕性更強(qiáng)的材料。，如鐵鎳合金、高鎳合金等。由于此類(lèi)材料價(jià)格較高，在制造波紋管時(shí)，可以考慮僅在與腐蝕性介質(zhì)接觸的表面增加一層耐蝕合金。3.1.2 疲勞壽命設(shè)計(jì)由波紋管膨脹節(jié)的失效類(lèi)型及原因分析可以看出，波紋管的平面穩(wěn)定性、周向穩(wěn)定性及耐腐蝕性能均與其位移量即疲勞壽命相關(guān)。過(guò)低的疲勞壽命將會(huì)導(dǎo)致波紋管穩(wěn)定性及耐蝕性能下降。根據(jù)以往的試驗(yàn)及使用經(jīng)驗(yàn)，用于供熱工程的波紋管疲勞壽命應(yīng)不小于1000次。3.2 膨脹節(jié)的可靠性設(shè)計(jì)縱觀供熱工程中使用的波紋管膨脹節(jié)的失效形式，除個(gè)別資質(zhì)不全的小廠波紋管膨脹節(jié)易出現(xiàn)制造質(zhì)量問(wèn)題外，大多數(shù)波紋管的失效是由于腐蝕引起的，且多為外部環(huán)境腐蝕造成的。因此在進(jìn)行膨脹節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可考慮隔絕外部腐蝕介質(zhì)與波紋管的接觸。如對(duì)于外壓軸向型膨脹節(jié)可在出口端環(huán)與出口管之間增加填料密封裝置，其作用相當(dāng)于套筒補(bǔ)償器，既可抵擋外部腐蝕介質(zhì)的侵入，又給波紋管膨脹節(jié)增加了一道安全屏障，即使波紋管破壞，膨脹節(jié)還可以起到補(bǔ)償作用并可避免波紋管失效產(chǎn)生災(zāi)難性的后果。