波纹管膨胀节的应用

王超

摘要：波纹管膨胀节作为补偿性能良好，维护使用简便的补偿元件，在国内外供热管网中得到了越来越广泛的应用。随着使用年限的增加，波纹管膨胀节失效偶有发生，因而有必要对近十几年波纹管膨胀节的用量，失效膨胀节的数量，膨胀节失效原因进行详细的分析，以其对此类补偿装置的安全性可靠性有全面的了解。本文针对波纹管膨胀节在使用过程中出现的问题，确定合理的解决方法，提高波纹管膨胀节的安全可靠性。

关键词：波纹管膨胀节；失效原因；解决失效设计方法

1波纹管膨胀节可靠性分析

波纹管膨胀节的的可靠性是通过设计、制造、安装、运行管理等多个环节保证的，任何一个环节的失控都会导致膨胀节寿命的降低甚至失效，即便如此，从近十几年波纹管膨胀节在供热工程中的应用实践来看，其可靠度还是很高的。据统计，我所近十年来供给供热电行业的九千余套膨胀节中，腐蚀失效的膨胀节5套（环境腐蚀引起），管系试压失效膨胀节9套（试压时压力表失效），工作超压失稳失效的膨胀节5套，结构件焊接造成膨胀节失效1套（与制造相关），共计20套，其可靠度达到0.998。对于民用工矿设备来说，已经相当安全可靠了。

2供热管网用波纹管膨胀节失效原因分析

2.1波纹管失效类型

供热管网用波纹管膨胀节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：

（1）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；

（2）由于波纹管设计所考虑的压力或位移安全裕度不够，管线试压时波纹管产生失稳变形失效；

（3）膨胀节制造质量问题，此类失效以小制造厂产品居多。

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，其中又以腐蚀失效居多。从腐蚀失效波纹管的解剖分析发现，腐蚀失效通常分两种类型：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％。波纹管失稳有两种类型：强度失稳和结构失稳；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膨胀节的柱失稳。

2.2波纹管失效原因分析

从近二十年波纹管在供热管网的应用实践来看，波纹管的腐蚀失效与内部输送介质和外部环境条件均有关系。当内部介质符合标准要求时，外部环境的腐蚀是造成波纹管失效的主要原因。

架空管网在安装完毕后，通常会将管道连波纹管膨胀节一起包覆于密封的外护层中，当外护层密封不理想时，大气中的腐蚀介质、酸雨、沿海地区盐雾等均会对波纹管造成腐蚀。但至今尚无架空管线腐蚀失效的报道。

地沟敷设是城市集中供热最常见的敷设方式。理想的地沟环境是适合波纹管工作的。当地沟中存在污水、含盐碱的地下水、融雪盐水或其它腐蚀性介质时，用300系不锈钢制造的波纹管往往使用一个或几个供暖周期就腐蚀失效。此类失效在天津经济开发区、北京供热管网中均出现过。天津经济开发区属于高地下水位地区，小室中一直有高浓度的盐碱水，波纹管浸泡在腐蚀溶液中，一般一个供热周期波纹管即失效，属于系统腐蚀的问题。北京供热管网的膨胀节失效是由于小室进水，波纹管长期浸泡于腐蚀介质中而导致的腐蚀破坏，有较多的偶然因素。

直埋管网用波纹管膨胀节由于管线直埋于地下，膨胀节与管道接口处很难实现理想的密封连接，因此直埋管网波纹管最常见失效是由于外部腐蚀介质引起的。

3波纹管膨胀节可靠性设计

3.1波纹管的可靠性设计

3.1.1波纹管材料选择

对用于供热管网的波纹管的选材，除应考虑工作介质、工作温度和外部环境外。还应考虑应力腐蚀的可能性、水处理剂和管道清洗剂对材料的影响等，并在此基础上结合波纹管材料的焊接、成型以及材料的性能价格比，优选出经济实用的波纹管材料。

在大气、水蒸气和淡水等弱介质中，300系不锈钢是耐蚀的。这一点已在众多城市供热管网中的成功应用中都得到了证实。如天津供热管网（架空管线）波纹管材料选用1Cr18Ni9Ti，自84年开始运行，至今已运行19个供暖周期，尚未发现有腐蚀破坏的案例。为了提高波纹管的耐蚀性，现供热管网波纹管的用材多选用316或316L，这两种材料用于热力管网应该是性能价格比较为优良的材料。

对于地沟敷设的热力管网，当膨胀节所处管道地势较低，雨水或事故性污水不可避免的会浸泡波纹管时，应考虑选用耐蚀性更强的材料。如铁镍合金、高镍合金等。由于此类材料价格较高，在制造波纹管时，可以考虑仅在与腐蚀性介质接触的表面增加一层耐蚀合金。

3.1.2疲劳寿命设计

由波纹管膨胀节的失效类型及原因分析可以看出，波纹管的平面稳定性、周向稳定性及耐腐蚀性能均与其位移量即疲劳寿命相关。过低的疲劳寿命将会导致波纹管稳定性及耐蚀性能下降。根据以往的试验及使用经验，用于供热工程的波纹管疲劳寿命应不小于1000次。

3.2膨胀节的可靠性设计

纵观供热工程中使用的波纹管膨胀节的失效形式，除个别资质不全的小厂波纹管膨胀节易出现制造质量问题外，大多数波纹管的失效是由于腐蚀引起的，且多为外部环境腐蚀造成的。因此在进行膨胀节的结构设计时，可考虑隔绝外部腐蚀介质与波纹管的接触。如对于外压轴向型膨胀节可在出口端环与出口管之间增加填料密封装置，其作用相当于套筒补偿器，既可抵挡外部腐蚀介质的侵入，又给波纹管膨胀节增加了一道安全屏障，即使波纹管破坏，膨胀节还可以起到补偿作用并可避免波纹管失效产生灾难性的后果。

结束语

综上所述，波纹管作为性能可靠、补偿能力强的元件，特别适用于供热管网的热补偿。通过对个别失效现象的分析，排除偶发事件（如管系试压时发生的膨胀节失效），膨胀节存在的问题主要有两类：波纹管的稳定性及腐蚀。波纹管的稳定性问题可通过合理的设计波纹管波形参数和疲劳寿命得到解决。对于比较棘手的腐蚀问题，可以通过两种方式得到解决：

（1）合理的波纹管选材和膨胀节结构设计，割断腐蚀源。

（2）加强小室积水管理，从根本上解决腐蚀问题。这样不仅波纹管的腐蚀问题可以得到解决，小室中碳钢管路的腐蚀问题也就不存在了。