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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
1.6
9o
543.14
工作工况
0.86
7o
446.2
0.86
8o
535.7
0.86
9o
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
2.5.1 A、B波纹管原始设计参数:
设计压力:
1.6Mpa
设计温度:
350℃
额定角位移:
9°(A、B波纹管)
角位移刚度:
3562 N·m/°
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。
2.5.2 C波纹管原始设计参数
设计压力:
1.6Mpa
设计温度:
300oC
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290oC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。
图5 B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量,但补偿量已接近极限,同时,由于两个波纹管型号不一,4波波纹管的刚度较小,致使应力主要集中在4波波纹管,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
2.7.1 A、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。
2.7.3 304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,推广首选低波高,大波距的波纹管。
3.1.3 选择涂层保护设计,涂层保护可以考虑防腐薄膜,外覆耐蚀含金(如Incoloy800或825)、高品质涂装设计,也可考虑电化学保护及改变环境氯离子含量等方法。
3.1.4 改进产品设计,重新认识多层和单层波纹管产品的优劣。
并增加直观检查波纹管外腐蚀的渠道和方法,尽量减少突发事故发生。
同时,可以考虑在外压式波纹管外增加密封装置,一来可以减少介质中的cl-腐蚀,二来可以减少突发事故的损失。
3.1.5 重新研究并确立在一定Cl含量条件下的波纹管寿命,提出在不同环境中波纹管合理的使用周期。
在无腐蚀条件下对波纹管研究的基础上,重点研究应力与腐蚀的关系,找到在一定cl-浓度下应力最佳值。
3.1.6 适当提高波纹管的安全系数,研究位移应力对波纹管产品影响,提高抵御意外事件的能力。
3.2工程设计施工方面
3.2.1设计人员必须对波纹管补偿器有足够的了解和认识,这是正确选择和使用好波纹管的前提条件。
3.2.2施工必须遵守设计图纸要求,并严格工程质量检测程序,确保工程质量。
3.2.3施工中严禁使用含cl-的材料(主要是Fecl3),严禁使用含cl-的施工方法(如盐水防冻等)。
3.2.4严格选择生产厂家,并派驻厂员仔细把握从材料、加工到贮运的各个环节。
3.2.5建立波纹管档案,从设计、制造、施工、运行管理各方面都有明确记录。
3.2.6波纹管在生产、贮运及安装过程中应尽量避免cl污染。
通常应贮存于阴凉干燥的库房,不得已露天放时,须使外压波纹管出口端向下(即按介质方由上向下),避免污水流入而引起腐蚀。
3.3 运行管理方面
3.3.1 认真调查并掌握波纹管使用环境条件,主要是氯离子含量情况,以期对应力腐蚀有清醒认识。
并努力创造符合波纹管条件的运行环境。
3.3.2 重新认识运行检查波纹管的重要性。
波纹管作为管网附件是免维护的,但并不等于是免检查的,要切实加强对波纹管的检查,对内压型波纹管(铰链型、复式拉杆型)要定期进行波纹管着色检查;对外压波纹管主要检查有无浸泡、泄漏,对直接裸露或滴水处的波纹管要加以防护。
3.3.3 建议每5年进行一次腐蚀状况的抽样分析和各项性能的检测。
3.2.4 清洁管道中的水质,排除其中的沉积污物,消除点蚀形成和扩展的条件
3.2.5 开展波纹管剩余疲劳寿命的研究,正确及时更换具有潜在危险的波纹管补偿器。
同时也要研究出突发事故下的抢修预案。
4.结论:
波纹管补偿器是对原材料,产品设计加工工艺和运行管理诸方面都有明确要求的产品,有着其自身的使用条件及相应要求,本文正是力图通过波纹管补偿器爆损的现象,归纳和总结这些条件和要求(文中2.6节和3.0节已有所论述),以期更加合理地用好波纹管。
通过对波纹管补偿器爆裂破损各种现象和数据的分析,希望能引起大家对这个问题的重视,并不断地完善之。
我们感到,只有不断地探索和积累,才能真正更加全面地认识波纹管补偿器,才不再简单盲目地肯定或否定,使我们从必然王国走向自由王国。
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