2．3材质及微观金相分析 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 |
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290 oC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. |
