浅论波纹管使用寿命

成型方法对使用寿命的影响
用于波纹管成型的方法有很多种，适合供热用波纹管的成型方法主要有以下三种：
胀形模具成型：模具在筒胚内部扩张，逐个胀形成波纹。然后，用标准波纹轮廓线的内、外滚轮精压定型。
液压成型：在筒胚外部套装成组模片，向筒胚内部注入液体，加压至筒胚材料屈服，保压并连同模片下行，直至得到正确的波形，一般为一次性整体成型。
辊压成型：在筒胚内、外设有成型轮，旋转筒胚或成型轮。同时成型轮加压，并控制筒胚纵向收缩，直至得到正确的波形。一般逐波成型。
这三种方法的区别在于：成型过程中对波纹管的冷作硬化程度不同。液压成型的波谷部分冷作硬化高于波峰部分，在工作时，波峰部分将承受较大的位移。另两种方法波峰、波谷的冷作硬化程度基本相同，并可以承受相同的位移，但辊压成型的波纹管会留有较大的残余应力，有些波纹管甚至在成型过程中即出现裂纹，所以一般在成型后要做热处理。 冷作硬化会使波纹管产生残余应力，但是，冷作硬化带来的并不一定都是负面的影响。对于以奥氏体不锈钢为材料的波纹管而言，在加工过程中所受到的冷作硬化可以显著提高波纹管的使用寿命，这一点已经通过大量的实践得到了证实。
可是，由于冷作硬化程度难于用量化的方式来描述，所以，哪一种成型方式设计公式的计算结果，哪一种成型方式有利与产品的使用寿命，是很难说清楚的。波纹管工作时的应力，在材料的塑性变形区。这样大的应力会使成型后做的热处理在很短的时间内就变得毫无意义。以 200 周次产品在工作中所产生的应力而言，在服役很短的期间内，就会把所有有利于使用寿命的因素抵消掉。况且也没有一个生产厂家能够保证它的成型工艺会使波纹管产生冷作硬化。所以，适当提高产品的设计疲劳寿命是有必要的。
 
焊接对波纹管的使用寿命的影响
在焊接的高温环境下，奥氏体不锈钢中的 Cr+4铬离子会与碳钢接管材料中的 C-4碳形成 CrC 碳化铬。导致在焊接的热影响区内局部材料贫铬，使贫铬部分抗腐蚀能力明显降低。贫铬现象的发生，可以归入腐蚀的范畴。这种腐蚀现象只发生在焊接的热影响区内。波纹管的直边端会因抗腐蚀能力降低而产生晶界腐蚀，导致波纹管在设计疲劳寿命内失效。所以，在焊材中富 Cr 铬或含有稳定性元素 Ti 钛、Mo 钼等，以保证贫铬现象不会发生。
 
环境因素方面对波形补偿器使用寿命的研究
波纹管的工况条件也会对它的使用寿命产生很大影响。恶劣的工作环境，有可能导致波纹管在几年甚至几个月内就失效。这主要是因为奥氏体不锈钢材料对氯离子 Cl-的抗腐蚀能力差。在工作中氯离子 Cl-与工作应力相结合就容易产生腐蚀。腐蚀问题很复杂，对于波纹管厂家和研究机构来说是作为专门课题来研究的。这里只简单介绍一下它对波纹管使用寿命的影响。
补偿器在使用中常见的腐蚀类型有应力腐蚀、点腐蚀和晶间腐蚀。其中应力腐蚀是导致补偿器失效主要的一种腐蚀类型。1994 年 2 月北京热力公司西二环 42#小室、同年 12 月长安 164 线 9#小室 Ω 型波纹管发生的破裂事故，就是应力腐蚀的典型案例。该案例分析结论是：作为函道防水涂层材料的 FeCl3遇水分解出大量氯离子 Cl-经浓缩作用于波纹管上，形成应力腐蚀，导致破裂。应力腐蚀的发生，带有很大的随机性。但在工况环境中有氯离子 Cl-存在，无疑是必要条件，所以降低工作环境中氯离子 Cl-的含量，可以有效控制应力腐蚀的发生。但是，要做到这一点是比较困难的，在某些地方，污水、雨水、溶积雪的盐水都有可能进入补偿器的工作环境。所以，只有提高补偿器的抗腐蚀能力、降低其工作时的应力范围才是较为可行的办法。如果在管网设计中选用较高寿命的补偿器（500 或 1000 周次），就能够降低波纹管的工作应力，使之有足够的寿命余度，来抵消一些环境因素对使用寿命的影响。
 
安装方面对波形补偿器使用寿命的研究
波形补偿器防护对使用寿命的影响
虽然补偿器的设计人员尽一切可能将波纹管保护好（如设计外套筒、导向装置、导流管等），但是，有些类型的补偿器（如角向、万向、横向型等）却不得不将波纹管在外面。如果在设备的运输或现场安装过程中稍有疏忽，就会造成人为的损伤（如磕碰、焊接飞溅、安装偏心等），使之降低使用寿命。尤其值得一提的是：现在，直埋管的应用越来越普及。它的设计也不象传统管线一样设置许多导向支架和次固定支架。常用一些理论上的摩擦力“驻点”来代替一部分次固定支架。可是，有一些施工单位为保工期，在没有将直埋管埋好填实的情况下，只是将设计图纸中应有的固定支架等焊好就系统试压，这样的错误实际上就是：在整个系统所有固定导向装置未能起到可靠作用之前就系统试压，致使补偿器无限拉长而损毁，一旦发生这样的错误，补偿器将会损坏，无法修补。
 
波形补偿器安装方式对使用寿命的影响
在安装过程中对补偿器冷紧和预变形对提高其使用寿命、保证系统运行有不少好处。冷紧是指安装补偿器时，对其端部所施加的横向位移或角向位移。预变形是指沿补偿器轴向所进行的调整。以便补偿器能够工作在额定范围之内。可见，冷紧是对横向、角向型补偿器进行的调整。而预变形则是对轴向型补偿器的调整。它们可以减小对系统的作用力、降低工作时波纹管应力变化的峰值，冷紧还可以提高补偿器的稳定性。一般来说，架空管系的固定结构不能承受较大的载荷。如果在安装补偿器的过程中，对其进行冷紧，当管线受热达到位移时，固定结构的受力可以减少 50%。而 100%的冷紧可以使在工作状态下因横向位移所产生的力达到。波纹管工作应力峰值的降低对提高其使用寿命有一定的好处。但是，无论冷紧还是预变形都不可能改变应力变化的范围，也不能提高波纹管的补偿量。
 
  由于波形补偿器结构紧凑，补偿能力大，无泄漏零维护等诸多优点，近年来，波形补偿器作为集中供热管网的关键附件在热力管道中普遍应用，但随着使用年限的增加，陆续出现了波形补偿器泄漏、失效、管件破坏等停热事故，很多供热企业对集中供热管道波形补偿器的应用产生了一定顾虑。当年波形补偿器技术引进中国被广泛使用，究其改变初衷，是对热力管网老旧套筒补偿器的更新换代，由于当年套筒补偿器密封工艺及密封材料的缺陷，跑冒滴漏现象明显，新型的不锈钢波形补偿器的出现，改变了人们对热力管道补偿设备应用理念，尤其波形补偿器的无泄漏零维护的特点被广大供热企业所期盼。
近年来，北京集中供热管网中一些波形补偿器在实际应用过程中出现了不同程度的失效问题，究其原因很多专家认为除少数补偿器因疲劳损伤及非正常破坏外多数与城市污水、融雪剂渗入地下引起的腐蚀有关。 通过近年来北京集中供热管网事故隐患排查及处理情况分析。施工安装和运行维护不当是波形补偿器事故问题高发阶段。在施工安装时，有不按安装规范要求先铺管再截管安装，为贪图方便、节约工料从两端铺管至检查井，再将补偿器直接焊接连接而导致同轴度偏差很大吸收管道热变形时卡死的现象；也有在未设置有效支撑前进行系统施压，使得不能由补偿器自身结构吸收管道内压推力的波形补偿器试压失效——以轴向外压型波形补偿器为主；还有在安装后不拆除运输险位装置，使得补偿器变形受限失去补偿功能；相反还有把补偿器中用于吸收管道内压推力的装置擅自拆除，导致试压时补偿器破坏的现象——以拆除横向性波形补偿器大拉杠为主。运行维护时，有外来腐蚀介质长期浸泡补偿器而导致的腐蚀破坏；也有运行异常引起的管道超温、超压、冲击振动造成的补偿器失稳破坏；还有管道指吊架失效而引起补偿器变形超标破坏等。总体来说，补偿器运行多年后，以腐蚀破坏现象为主。更以氯离子应力腐蚀裂纹破坏为主，据不完全统计，波形补偿器应力腐蚀裂纹破坏占全部腐蚀破坏的 75%以上。

 
 
材料选择设计优化提高补偿器抗腐蚀能力
   对于集中供热管道波形补偿器中波纹管的设计选材，需要考虑应用环境因素、加工难易程度以及材料价格等，用于集中供热管道波形补偿器多以奥氏体不锈钢为原材料，如材料牌号 0Cr18Ni9、00Cr19Ni10、0Cr17NiMo2、00Cr17Ni4Mo2。借鉴船用波形补偿器材料选材的经验——富含氯离子的海水环境下工作，可以考虑选用耐腐蚀性更强的镍基合金或高镍合金，如 254SMO、Incoloy800、Incoloy828 等。考虑到波形补偿器制造成本，从波纹管的设计角度出发，由于供热管道中输送介质为热水和蒸汽，不存在腐蚀问题。而波纹管与环境接触一侧则有可能受到外来腐蚀介质的侵蚀，故可以仅在波纹管与环境接触一侧增加一层高耐腐蚀性能的材料即可。

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