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波纹管补偿器的失效类型及原因分析

发表时间:2019-07-17 【

  失效类型
   波纹管的失效在管线试压和运行期间均有发生。管线试压时出现问题主要有三种类型:由于管系临时支撑不当,或管系固定支架设置不合理,导致支架破坏,波纹管 过量变形而失效;由于波纹管设计所考虑的压力或位移富裕度不够,管线试压时波纹管产生失稳变形失效;补偿器制造质量问题,制造厂偷工减料,5层不锈钢 私自改为3层或更少。 
   波纹管在运行期间的失效主要表现为腐蚀泄漏和失稳变形两种形式,其中以腐蚀失效居多。从腐蚀失效波纹管的解剖分析发现,腐蚀失效通常分点腐蚀穿孔和应力腐 蚀开裂,其中氯离子应力腐蚀开裂约占整个腐蚀失效的95%。波纹管失稳有强度失稳和结构失稳两种类型,强度失稳包括内外压波纹管平面失稳和外压波纹管周向 失稳;结构失稳是内压波纹管补偿器的柱失稳。 

   设计疲劳寿命与稳定性及应力腐蚀的关系 
   波纹管的设计主要考虑耐压强度、稳定性和疲劳性能等三个方面的因素。虽然国家标准和国外EJMA标准对这几方面的计算和评定都有明确的规定,但从多年的应 用实践和波纹管失效分析中发现,标准中给出的关于稳定性的计算和评定方法不够全面,且疲劳寿命也仅给出了比较粗的界限范围(平均疲劳寿命在 103~105适用)。有时一个符合标准要求的产品,在实际使用时也会出现一些问题。如内压轴向型补偿器预变位状态在压力试验时波纹管易产生平面失 稳,大直径外压轴向型补偿器全位移工作状态波纹管易产生周向失稳,小直径复式拉杆型补偿器、铰链型补偿器全位移工作状态易产生柱失稳。波纹管过大的变形不 仅对其稳定性造成影响,还会为应力腐蚀提供有利的环境条件。
   波纹管疲劳寿命与其综合应力 波纹管的补偿量取决于其疲劳寿命,疲劳寿命越高,波纹管单波补偿量越小。为了降低成本,提高单波补偿量,有些生产厂家将波纹管的许用疲劳寿命降得很低,这 样会导致由位移引起的波纹管子午向弯曲应力很大,综合应力很高,大大降低了波纹管的稳定性。表1给出了无加强U形波纹管许用疲劳寿命与子午向综合应力及单 波补偿量之间的关系。 
   波纹管的综合应力与其耐压强度 由标准中给出的波纹管平面稳定性和周向稳定性的计算方法和评定标准可以看出,二者反映的均为强度问题。当波纹管设计的许用寿命较低时,不仅其子午向综合应 力较高,环向应力也比较高,使波纹管局部很快进入塑性变形,导致波纹管失稳。 
   对于内压波纹管,位移应力在波纹管波峰和波谷处形成塑性铰,再加上压力应力,波纹管很快产生平面失稳。这就是低疲劳寿命波纹管在位移条件下平面失稳压力远 低于高疲劳寿命的波纹管的根本原因。例如在预变位状态下,即波纹管位移量为许用值的1/2时,一个许用疲劳寿命为200次的波纹管,尚未达到其允许设计压 力时,已经产生平面失稳;许用疲劳寿命为1000次的波纹管,达到设计压力时,波纹管处于平面稳定状态,达到1.5倍设计压力时,波纹管处于临界失稳状 态;许用疲劳寿命为2000次的波纹管达到设计压力1.5倍时,波纹管仍处于平面稳定状态。 
   从外压波纹管纵向剖面看,相当于一个受压力的拱梁,工作时波纹管处于拉伸状态,相当于拱梁降低了拱高,其抗失稳的能力自然降低。当波纹管单波位移过大时, 波纹平直部分倾斜,使得波纹管波峰直径有缩小的趋势,但波峰圆环直径是确定的,为了协调变形,就会产生波峰塌陷,波纹管周向失稳。在国内外相应的标准中, 关于位移对波纹管外压周向稳定性的影响均未涉及,有待于深入探讨。 

   综上所述,虽然至今为止在热力管网的应用过程中尚未发现由疲劳而引起的破坏,但波纹管过低的设计疲劳寿命,将会导致灾难性的后果。 
   补偿器位移与其柱稳定性 对于复式拉杆型和铰链型补偿器,横向位移是由波纹管角变位引起中间管段倾斜实现的。当波纹管产生角变位时,波纹管凸出侧承压面积大于凹陷侧承压面积,导致 补偿器附加了一个横向力,较之轴向型补偿器更易产生柱失稳。显然波纹管单波位移越大,补偿器横向位移越大,越易产生柱失稳。

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