熱網(wǎng)在役波紋管膨脹節(jié)安全性評估

占豐朝 邱媛媛 朱 杰 陸翔翔 張小文

（1.中船雙瑞（洛陽）特種裝備股份有限公司 洛陽 471000）

（2.洛陽船舶材料研究所 洛陽 471000）

（3.洛陽雙瑞精鑄鈦業(yè)有限公司 洛陽 471000）

金屬波紋管膨脹節(jié)作為補償位移、降低管道應(yīng)力的重要部件，對保障管線的安全可靠運行起重要作用，在供熱領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。目前在役熱力管線上存在較多已服役多年的波紋管膨脹節(jié)，這些膨脹節(jié)是否存在局部腐蝕、變形等安全隱患暫無可靠度高的在線檢測方法評估，對于產(chǎn)品能夠繼續(xù)服役的時間即膨脹節(jié)的剩余壽命也是未知的，因此近些年有較多用戶提出對在役膨脹節(jié)的安全性評估需求。

目前對于已經(jīng)發(fā)生泄漏或者失效的波紋管分析研究較多[1-3]，但是對于在役波紋管的使用安全性進行全面評價的研究較少。趙宏等人[4]通過對在役波紋管位移伸縮量的監(jiān)測和統(tǒng)計來對膨脹節(jié)運行狀態(tài)進行初步判斷，認(rèn)為補償器工作中出現(xiàn)高伸縮位移量次數(shù)占比越高，相對剩余壽命越短；李永生等人[5]分別采用了疲勞壽命測試法和累計損傷法對在役膨脹節(jié)剩余壽命進行了評估，得到的結(jié)果認(rèn)為2種方法均可以用來對膨脹節(jié)剩余壽命進行評估且分析結(jié)果相近。

對于在役波紋管的安全性評價涉及影響因素較多，服役工況、安裝使用情況、波紋管材質(zhì)、設(shè)計疲勞壽命等均會對結(jié)果有影響，為了更準(zhǔn)確地評估在役膨脹節(jié)的使用情況，本文對某單位提供的已服役多年的波紋管膨脹節(jié)通過工況分析、材質(zhì)分析與設(shè)計校核、腐蝕狀況分析、承壓性能分析、疲勞性能分析等工作對產(chǎn)品進行全面評估，為產(chǎn)品的后續(xù)使用提出建議，同時也為波紋管膨脹節(jié)的安全性評價工作積累了經(jīng)驗。

1 膨脹節(jié)服役概況

項目分析評估的膨脹節(jié)為直埋軸向型結(jié)構(gòu)，設(shè)計壓力為1.6 MPa，設(shè)計溫度為130 ℃，結(jié)構(gòu)如圖1所示，宏觀樣貌見圖2，外管外側(cè)有保溫層覆蓋需通過后續(xù)解剖來進一步分析。根據(jù)客戶提供的采暖季計量站統(tǒng)計表得到用于評估的膨脹節(jié)在正常的供暖期間工作壓力為0.8～1.0 MPa，工作溫度范圍為75～100 ℃，可以看出膨脹節(jié)實際服役時的最高工作溫度和最大工作壓力均達(dá)不到設(shè)計工況，工作溫度為設(shè)計溫度的57%～73%，工作壓力為設(shè)計壓力的50%～63%。直埋熱水管道的位移主要由溫度變化引起，最高工作溫度決定管線實際最大伸長位移，統(tǒng)計得到的工作溫度數(shù)據(jù)反映出管線實際運行遠(yuǎn)未達(dá)到滿負(fù)荷工況。

圖1 膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 膨脹節(jié)宏觀樣貌

供熱季管網(wǎng)水質(zhì)化驗報表結(jié)果顯示熱水的濁度、硬度、pH值范圍均符合CJJ 34—2010《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計規(guī)范》中對于熱水水質(zhì)的要求，但氯離子濃度超標(biāo)，最大達(dá)32 mg／L（標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定不宜高于25 mg／L）。

2 分析及討論

2.1 化學(xué)成分分析

依據(jù)GB／T 20066—2006《鋼和鐵 化學(xué)成分測定用試樣的取樣和制樣方法》，對波紋管各層采用機械切割方法，取1塊試樣，然后加工為屑樣進行成分分析，結(jié)果見表1，與GB／T 3280—2015《不銹鋼冷軋鋼板和鋼帶》中規(guī)定的奧氏體不銹鋼化學(xué)成分進行對比可得，波紋管外層的材質(zhì)為316L，中間層和內(nèi)層的材質(zhì)為304，該波紋管屬于304+316L的組合設(shè)計，在環(huán)境介質(zhì)接觸側(cè)采用了耐點蝕性能更優(yōu)異的316L。

表1 波紋管各層的化學(xué)成分 %

2.2 力學(xué)性能分析

波紋管直邊取樣，所取試樣尺寸如圖3所示，依據(jù)GB／T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》進行抗拉強度和屈服強度測試。

圖3 試樣尺寸

波紋管試樣力學(xué)性能測試結(jié)果見表2。GB／T 3280—2015中規(guī)定：304板材的抗 拉強度Rm≥515 MPa，塑性延伸強度Rp0.2≥205 MPa；316L板材的抗拉強度Rm≥485 MPa，塑性延伸強度Rp0.2≥180 MPa。依據(jù)GB／T 3280—2015標(biāo)準(zhǔn)所測試樣力學(xué)性能符合要求。

表2 波紋管力學(xué)性能測試值

2.3 設(shè)計校核分析

按設(shè)計文件給出的設(shè)計參數(shù)（T＝130℃、P＝1.6 MPa）根據(jù)GB／T 12777—2019《金屬波紋管膨脹節(jié)通用技術(shù)條件》對波紋管進行應(yīng)力校核，由于采用了不同材料組合的多層波紋管，根據(jù)GB／T 12777—2019第5.4.3條，多層波紋管設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力由各層材料的名義厚度乘以各層材料在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力然后除以總厚度得到，計算得到該波紋管設(shè)計溫度下許用應(yīng)力為129.56 MPa。計算所得波紋管的周向應(yīng)力和抗平面失穩(wěn)均符合要求，但是波紋管的周向應(yīng)力系數(shù)達(dá)0.96，安全余量較小[6]。

2.4 腐蝕狀況分析

●2.4.1 宏觀形貌

解剖結(jié)果表明波紋管波距較均勻無明顯變形，外側(cè)存在少量浮銹，波紋管內(nèi)側(cè)（介質(zhì)接觸側(cè)）有大量泥垢，波紋管直邊段局部存在點蝕坑，如圖4箭頭所示。此處為端管與波紋管連接區(qū)域，端管與波紋管為異種材質(zhì)，存在電位差，另外該區(qū)域能夠接觸到進入膨脹節(jié)內(nèi)部的外界環(huán)境介質(zhì)，含有腐蝕性成分的外部介質(zhì)在此聚集濃縮，會導(dǎo)致此處的優(yōu)先腐蝕，繼而產(chǎn)生蝕坑。

圖4 宏觀形貌

直邊段取樣并通過掃描電鏡對點蝕坑深度進行了測量，共選擇了5處測量，蝕坑微觀形貌見圖5，腐蝕坑深度分別為 285 μm、181 μm、322 μm、345 μm、357 μm，以已腐蝕的最大深度357 μm為基準(zhǔn)，根據(jù)最外側(cè)波紋管的厚度和已經(jīng)使用的年數(shù)可以得到腐蝕速率約為0.03 μm／a，進而計算得到該膨脹節(jié)外側(cè)波紋管腐蝕穿透的剩余壽命為4 a左右。實際服役中，膨脹節(jié)所處環(huán)境復(fù)雜，波紋管不僅冷成形過程中存在加工殘余應(yīng)力且工作中往復(fù)拉伸壓縮時也會有較大的工作應(yīng)力，實際破壞往往是點蝕、應(yīng)力腐蝕及腐蝕疲勞的綜合作用，腐蝕規(guī)律較難確定，按均勻腐蝕來計算與實際失效模式會存在一定偏差。

圖5 微觀形貌

●2.4.2 附著物成分分析

對殘留在波紋管內(nèi)壁表面的附著物取樣進行能譜分析，結(jié)果見表3，附著物中所含元素種類主要是C、O、Mg、Al、Si、S、K、Ca、Fe，僅存在少量侵蝕性元素S。附著物中元素含量前三的為C、O、Ca，此應(yīng)為管道內(nèi)的雜質(zhì)在波紋管表面沉積所致，對波紋管腐蝕性較小。

表3 附著物的元素種類及含量 %

2.5 剩余疲勞壽命分析

為了評估該膨脹節(jié)的剩余疲勞壽命，參照GB／T 12777—2019的試驗方法對其開展了疲勞性試驗。根據(jù)計量站統(tǒng)計數(shù)據(jù)，管線長期運行的溫度和壓力均低于設(shè)計參數(shù)，考慮該膨脹節(jié)已在實際工況下安全服役多年，為了更準(zhǔn)確地評估膨脹節(jié)在實際工況下的剩余疲勞壽命，疲勞試驗的試驗壓力和試驗位移均基于產(chǎn)品實際服役工況的最大值來選擇，試驗壓力為1.0 MPa，試驗位移為±43 mm。疲勞試驗循環(huán)次數(shù)達(dá)到91次時波紋管發(fā)生泄漏，波紋管失效開裂位置位于母材的波谷處，裂紋沿周向擴展。

對波紋管失效斷裂部位取樣通過掃描電鏡進行斷口分析，分析結(jié)果顯示為多源疲勞斷裂特征，疲勞擴展區(qū)有疲勞輝紋及二次裂紋特征，兩側(cè)疲勞裂紋在斷口中部交匯并最終發(fā)生斷裂，未觀察到腐蝕產(chǎn)物，證明波紋管的破裂系疲勞試驗裂紋的擴展所致，可以排除發(fā)生局部腐蝕導(dǎo)致裂紋的可能性。

按試驗位移計算得到波紋管設(shè)計疲勞壽命為120次，而GB／T 12777—2019中規(guī)定波紋管的疲勞試驗次數(shù)應(yīng)不小于波紋管設(shè)計疲勞壽命次數(shù)的2倍，因此該波紋管的理論疲勞試驗次數(shù)應(yīng)至少為240次?，F(xiàn)試驗至91次發(fā)生泄漏，可得到波紋管疲勞壽命下降了62.1%，根據(jù)產(chǎn)品已安全服役10 a，從疲勞壽命的損傷推算得到波紋管預(yù)計還可使用年限為6.1 a。上述計算得出的預(yù)計可使用年數(shù)可以為管線上相同類型和規(guī)格膨脹節(jié)的剩余使用壽命做參考，但是由于膨脹節(jié)服役工況、安裝偏差及制造質(zhì)量不同，管線不同位置的膨脹節(jié)使用壽命會存在一定差異。

上述評估方法的預(yù)測精度仍有待優(yōu)化，實際波紋管的疲勞壽命往往具有離散性，不同批次材料制造的波紋管疲勞壽命有所不同，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗循環(huán)次數(shù)為產(chǎn)品需要達(dá)到的最低值，按2倍的設(shè)計疲勞壽命次數(shù)計算得到的波紋管疲勞壽命損傷率會低于實際損傷，得出的產(chǎn)品剩余可使用年數(shù)結(jié)果偏大。

2.6 累積損傷分析

EJMA中給出了依據(jù)Miner累積損傷理論進行波紋管累積疲勞損傷的計算方法。當(dāng)波紋管在運行期間受到多種應(yīng)力循環(huán)作用時，分別算出每種應(yīng)力循環(huán)時的利用系數(shù)Ui，保證總的累積利用系數(shù)U小于1。

對于該膨脹節(jié)，服役期間存在的工況主要有開停車、溫度波動、管線沉降、壓力波動，從用戶計量站反饋的數(shù)據(jù)可以看出膨脹節(jié)僅在運行初期和停止運行時管道有相對較大的溫度升降，正常運行期間溫度波動范圍很小。對于開停車工況，每年按2次，與此工況對應(yīng)的相當(dāng)于全位移時的設(shè)計疲勞壽命為240次。對于管線沉降工況，每年按2次，考慮管線沉降可能造成膨脹節(jié)過度變形，此工況按120%位移考慮，對應(yīng)的設(shè)計疲勞壽命為100次。對于溫度波動，參考?xì)W盟《區(qū)域供熱手冊》規(guī)定，計算可得服役10 a總的供熱等效次數(shù)約為40.2次，見表4，Palmgren-Miner規(guī)則的最大作用循環(huán)次數(shù)受系數(shù)m影響最大，m＝3時，每天的小變動起作用，而對于m＝5，每年的大變化影響更大，該表的等效次數(shù)是按系數(shù)m＝4計算所得，更多地考慮了塑性應(yīng)變的影響，更貼近實際情況，即最大波動對疲勞壽命影響較大，整的作用影響由最大溫度波動和大量小的溫度波動組成[7]。單純的壓力波動（按0.6～1.6 MPa波動）產(chǎn)生的波紋管應(yīng)力變化范圍在200 MPa以內(nèi)，對波紋管疲勞壽命幾乎沒有影響。

表4 供熱管網(wǎng)溫度變化過程估計

假設(shè)波紋管使用年數(shù)為X，根據(jù)Miner累計損傷方法計算波紋管的疲勞累計損傷U＝X（2／240+2／100+4.02／240)≤1，可得X為22，即該波紋管單純從疲勞損傷計算使用壽命為22 a，目前已使用10 a，剩余使用壽命為12 a。

基于累計損傷的疲勞評估需要綜合考慮多個工況，實際膨脹節(jié)運行期間不同工況下發(fā)生的位移變化即對應(yīng)的應(yīng)力狀態(tài)目前無法獲得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，故基于累計疲勞損傷評估也存在一定誤差。實際產(chǎn)品服役時疲勞壽命會受到外界環(huán)境及各種突發(fā)工況的影響，單純基于累計疲勞損傷評估產(chǎn)品剩余使用壽命所得剩余可使用年數(shù)會偏大。

3 結(jié)論

本文基于實際運行工況對膨脹節(jié)進行了安全性評價，并分別依據(jù)腐蝕速率計算、累積損傷等理論建立了波紋管剩余壽命評估方法用于指導(dǎo)工程應(yīng)用，同時得出以下結(jié)論。

1）基于腐蝕評估所得剩余使用壽命最低，基于累積疲勞損傷評估所得剩余壽命偏大，可以發(fā)現(xiàn)腐蝕對波紋管剩余壽命影響最大，為了保證波紋管膨脹節(jié)的長周期安全可靠運行，波紋管選材時需結(jié)合當(dāng)?shù)毓r特點選擇合適的耐腐蝕材質(zhì)或者采用增設(shè)保護波等其他結(jié)構(gòu)形式來隔離外界介質(zhì)。

2）該膨脹節(jié)在現(xiàn)有工況下還能夠使用，但是存在失效破壞風(fēng)險，建議后期使用過程中及時監(jiān)測管線運行狀況，避免管線運行溫度超標(biāo)、壓力超標(biāo)或其他異常工況導(dǎo)致膨脹節(jié)的變形損壞。