1．問題的提出      波紋管補償器作為一種新型補償設備，從80年末期開始使用，90年代得以大力推廣。作為一種補償性能良好，使用維護簡單的補償器，特別是在代替以往套筒式補償器方面，得到大家的認可，但隨著其使用年限與范圍的增加、擴展，特別是在供熱系統中波紋管爆裂破損事故的不斷發生，使得我們必須站在新的高度，重新認識波紋管補償器。 下面三圖是北京市集中供熱系統波紋管補償器爆損的情況。      2001年3月30日，北京國華熱電廠供熱干線的朝陽線16號DN1000鉸接波紋管（本文以下簡稱A波紋管）突然發生爆裂，致使國華熱電廠停泵，供熱主干線中斷正常運行三個月。參見圖1。

 

     圖1  A波紋管爆損圖      2001年5月14日，北京石景山熱電廠供熱主干線之一的西三環6號DN800鉸接波紋管（本文以下簡稱B波紋管）發現已嚴重破損，四層中已有三層開裂，不能正常運行，被迫中斷運行。參見圖2。             

 

     圖2   B波紋管破損圖      2001年5月23日，北京華能熱電廠蒸汽主干線DN1000波紋管補償器（本文以下簡稱C波紋管），發生了大量蒸汽泄漏，華能熱電廠被迫調整工況，停止蒸汽外供，蒸汽干線停汽三周。參見圖3。                  

 

     圖3   C波紋管失穩圖      接連不斷的問題，引起供熱界廣大技術人員的關注，波紋管補償器在目前供熱管網中被廣泛使用，僅北京市集中供熱網中就有三千多個，特別是在大口徑的供熱主干線上，波紋管是目前唯一的補償設備，一旦發生問題后果十分嚴重，必須引起高度重視。本文試分析波紋管爆裂破損各種原因，及波紋管補償器在設計、生產、施工和運行管理各方面存在的問題，并在此基礎上提出解決問題的方法。      2．原因分析      事故原因我們從6個方面進行了分析，試述如下：      2．1  外觀觀察      A和B波紋管的外觀觀察呈現一樣的特征，波紋管外層的外壁有少量腐蝕產物，但仍然保持銀白色的金屬光澤，裂紋很細，走向各異。在波紋管的第一層內壁以及第二、三層的內外壁有大量腐蝕產物附著，不銹鋼薄板已經完全失去了金屬光澤，墜落地面已無金屬聲響，層間堵塞大量腐蝕產物已無結合力，第四層外表面有少量腐蝕產物和小裂紋，內表面附著均勻的薄水垢，無腐蝕產物，表面呈銀灰色。      裂紋情況與腐蝕產物相近，以第二、三層裂紋最多、最粗，第一層其次，第四層相對較少、較細。裂紋擴展方向具有發散特征，向各個方向開裂。      以上觀察我們可以判斷：波紋管的腐蝕開裂應是外層逐層向內各層波紋管發展的，只是各層波紋管腐蝕破壞在時間上的先后關系，才出現各層腐蝕開裂程度上的明顯差異。腐蝕來自波紋管外，在進入波紋管層間后，連續并加快了腐蝕的產生。      C波紋管內外各層均無腐蝕，但已嚴重變形，經著色分析未發現層間進汽現象。由此我們可以排除腐蝕及層間進汽原因而產生的破壞。      2．2腐蝕產物分析      從波紋管一至四層裂紋及斷口處取腐蝕產物，用X射線熒光分析儀，在實驗條件下查明，腐蝕產物中主要元素為O，Fe，Cr，Ni，Si，Al，Mg等，所有腐蝕產物均含有Cl元素。對腐蝕產物作能譜分析，其結果參見表1。      表1  波紋管第1層裂紋及斷口處腐蝕產物能譜分析結果

　 1 2 3 4 外層 內層 外層 內層 外層 內層 外層 內層 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

       從表1可以看出，從外層至內層均有Cl元素的分布及富集，并大大超出了導致304不銹鋼應力腐蝕開裂臨界值的Cl含量（500ppm=0.050%）可以認為在含有Cl的環境中，再加上溫度，應力及材質因素，構成了304材質應力腐蝕開裂（SCC）方面的很大敏感性。隨著Cl濃度增加，不銹鋼的應力腐蝕敏感性增加，能譜分析測到的氯元素重量百分比最低為4300ppm，最高為120000ppm，已經完全具備了發生應力腐蝕的條件。      2．3材質及微觀金相分析      對波紋管基材的化學成分分析結果如表2。      表2  開裂波紋管基材化學萬分分析%

  C Si Mn P S Cr Ni Fe 開裂波紋管 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

       對金相試樣我們同時進行了掃描電鏡分析，對這兩項的分析表明：      2．3．1．材質是符合304不銹鋼標準的，但Ni元素含量接近標準成分的下限，降低了304不銹鋼奧氏體組織的穩定性，外力將導致馬氏體相變。      2．3．2．逐層金相組織觀察均發現形變馬氏體。      2．3．3．金相裂紋在微觀上以穿晶為主，是典型的應力腐蝕裂紋特征，應力腐蝕破裂是引起波紋管腐蝕開裂失效的重要原因。      2．4應力分析      應力的存在是導致應力腐蝕開裂的必要條件之一，應力的來源主要有：波紋管加工成型過程中產生的形變應力和殘余應力；在服役期間的工作應力；裝配不當導致的裝配應力過大；腐蝕產物引起的楔入應力。      采用非線性有限元對設計和工作工況下的波紋管作應力分析。波紋管變形應力分布狀況如圖4所示。      圖4   波紋管變形及應力分布狀況圖      波紋管的最大應力區出現在角位移平面內即波紋管的凹邊A區域或凸邊B區域上，將各種工況條件下波紋管角位移平面內凸側最大拉力σ_BMAX作一對比，如表3所示      表3   四種工況下波紋管的δ_BMAX值   內壓P/MPa 角位移 δ_BMAX/MPa 設計工況 1.6 9^o 543.14 工作工況 0.86 7^o 446.2 0.86 8^o 535.7 0.86 9^o 638.6      以上分析表明，波紋管總體應力水平雖然很高，仍不足以導致波殼的爆裂。但由在波紋管層間的大量腐蝕產物體積遠遠大于原有金屬的體積，這樣在裂紋尖端便產生了不可忽視的楔入應力，有效地促進了應力腐蝕裂紋的發生和發展。      2．5設計運行參數分析      2.5.1    A、B波紋管原始設計參數： 設計壓力：1.6Mpa 設計溫度：350℃ 額定角位移：9°（A、B波紋管） 角位移剛度：3562　N·m/° 許用疲勞壽命：1000次 波紋管材質：304不銹鋼 單層厚度：1.2mm 從波紋管服役期間運行參數來看，A、B波紋管是熱水管網，運行參數遠小于設計參數。      2．5．2    C波紋管原始設計參數 設計壓力：1.6Mpa 設計溫度：300^oC 軸向補償量：270mm 許用壽命：1000次 波紋管材料：316 經重新核實計算，該波紋管補償器軸距80米，實際運行中最高溫度達到290 ^oC以上，補償量已超過設計補償量。另外，設計補償器已臨近產品補償量極限，也是重要原因之一。      2．6   工程情況分析      B波紋管安裝示意如圖5所示。        圖5  B波紋管安裝示意圖      經工程現場與設計圖紙核實，發現有兩大缺陷：第一是設計的兩個絞接型波紋管均為6波。但工程實際中使用的是一個4波波紋管，另一個是6波波紋管，設計與工程實際不符；第二是固定支架未安裝卡板。      經分析，這兩個缺陷是B波紋管破損的重要原因，雖然經計算，在固定支架無卡板時，仍能補償相應的熱伸長量，但補償量已接近極限，同時，由于兩個波紋管型號不一，4波波紋管的剛度較小，致使應力主要集中在4波波紋管，造成在相同使用環境（cl^-濃度相同）下，4波波紋管發生破損。      C波紋管在施工安裝過程中，考慮各方面因素未預拉伸，致使波紋管運行中的安全系數大大下降。      2．7分析結論      2．7．1　A、B波紋管的爆損是由應力腐蝕造成的，腐蝕主要來源于外部的cl元素。A波紋管的破損主要來自環境。而對B波紋管，由于增加了施工所帶來的不利影響而加快了應力腐蝕。      cl^-元素主要來自兩部分，一是流入管道的天然水、化雪鹽水及污水，二是施工中所用含Fecl₃的防水劑、防凍劑等。      2．7．2　加工過程中所產生的形變馬氏體不僅對材料的組織和結構，而且對材料力學性能和腐蝕行為產生明顯影響。形變馬氏體建立了一條對氯脆敏感途徑，成為應力腐蝕裂紋擴展的活性通道。      2．7．3　304不銹鋼Ni元素含量影響組織的穩定性，易導致形變馬氏體產生。      2．7．4　應力是腐蝕的條件，特別是腐蝕產物的楔入應力，加快了腐蝕的速度。      2．7．5　位移應力對波紋管設計的影響不容忽視，另外，運行參數過高，安裝時未預拉伸及設計參數接近設備極限，都是重要影響因素。       3．解決方法      3．1　產品設計、加工方面      3．1．1改變以往304不銹鋼材，選用耐腐蝕的超低碳奧氏體不銹鋼（如316L）。      3．1．2　充分認識加工過程形變馬氏體對波紋管帶來的各方面的影響，盡可能減少形變馬氏體的生成。為降低加工殘余應力和受載應力，推廣首選低波高，大波距的波紋管。      3．1．3　選擇涂層保護設計，涂層保護可以考慮防腐薄膜，外覆耐蝕含金（如Incoloy800或825）、高品質涂裝設計，也可考慮電化學保護及改變環境氯離子含量等方法。      3．1．4　改進產品設計，重新認識多層和單層波紋管產品的優劣。并增加直觀檢查波紋管外腐蝕的渠道和方法，盡量減少突發事故發生。同時，可以考慮在外壓式波紋管外增加密封裝置，一來可以減少介質中的cl^-腐蝕，二來可以減少突發事故的損失。      3．1．5　重新研究并確立在一定Cl含量條件下的波紋管壽命，提出在不同環境中波紋管合理的使用周期。在無腐蝕條件下對波紋管研究的基礎上，重點研究應力與腐蝕的關系，找到在一定cl^-濃度下應力最佳值。      3．1．6　適當提高波紋管的安全系數，研究位移應力對波紋管產品影響，提高抵御意外事件的能力。      3. 2 工程設計施工方面      3．2．1設計人員必須對波紋管補償器有足夠的了解和認識，這是正確選擇和使用好波紋管的前提條件。      3．2．2施工必須遵守設計圖紙要求，并嚴格工程質量檢測程序，確保工程質量。      3．2．3施工中嚴禁使用含cl^-的材料（主要是Fecl₃），嚴禁使用含cl^-的施工方法（如鹽水防凍等）。      3．2．4嚴格選擇生產廠家，并派駐廠員仔細把握從材料、加工到貯運的各個環節。      3．2．5建立波紋管檔案，從設計、制造、施工、運行管理各方面都有明確記錄。      3．2．6 波紋管在生產、貯運及安裝過程中應盡量避免cl污染。通常應貯存于陰涼干燥的庫房，不得已露天放時，須使外壓波紋管出口端向下（即按介質方由上向下），避免污水流入而引起腐蝕。      3．3　運行管理方面      3．3．1　認真調查并掌握波紋管使用環境條件，主要是氯離子含量情況，以期對應力腐蝕有清醒認識。并努力創造符合波紋管條件的運行環境。      3．3．2　重新認識運行檢查波紋管的重要性。波紋管作為管網附件是免維護的，但并不等于是免檢查的，要切實加強對波紋管的檢查，對內壓型波紋管（鉸鏈型、復式拉桿型）要定期進行波紋管著色檢查；對外壓波紋管主要檢查有無浸泡、泄漏，對直接裸露或滴水處的波紋管要加以防護。      3．3．3　建議每5年進行一次腐蝕狀況的抽樣分析和各項性能的檢測。      3．2．4　清潔管道中的水質，排除其中的沉積污物，消除點蝕形成和擴展的條件      3．2．5　開展波紋管剩余疲勞壽命的研究，正確及時更換具有潛在危險的波紋管補償器。同時也要研究出突發事故下的搶修預案。      4．結論：      波紋管補償器是對原材料，產品設計加工工藝和運行管理諸方面都有明確要求的產品，有著其自身的使用條件及相應要求，本文正是力圖通過波紋管補償器爆損的現象，歸納和總結這些條件和要求（文中2.6節和3.0節已有所論述），以期更加合理地用好波紋管。通過對波紋管補償器爆裂破損各種現象和數據的分析，希望能引起大家對這個問題的重視，并不斷地完善之。我們感到，只有不斷地探索和積累，才能真正更加全面地認識波紋管補償器，才不再簡單盲目地肯定或否定，使我們從必然王國走向自由王國.