熱網(wǎng)在役波紋管膨脹節(jié)安全性評(píng)估

占豐朝 邱媛媛 朱 杰 陸翔翔 張小文

（1.中船雙瑞（洛陽(yáng)）特種裝備股份有限公司 洛陽(yáng) 471000）

（2.洛陽(yáng)船舶材料研究所 洛陽(yáng) 471000）

（3.洛陽(yáng)雙瑞精鑄鈦業(yè)有限公司 洛陽(yáng) 471000）

金屬波紋管膨脹節(jié)作為補(bǔ)償位移、降低管道應(yīng)力的重要部件，對(duì)保障管線的安全可靠運(yùn)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(wú)可靠度高的在線檢測(cè)方法評(píng)估，對(duì)于產(chǎn)品能夠繼續(xù)服役的時(shí)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(hù)提出對(duì)在役膨脹節(jié)的安全性評(píng)估需求。

目前對(duì)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(duì)于在役波紋管的使用安全性進(jìn)行全面評(píng)價(jià)的研究較少。趙宏等人[4]通過(guò)對(duì)在役波紋管位移伸縮量的監(jiān)測(cè)和統(tǒng)計(jì)來(lái)對(duì)膨脹節(jié)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行初步判斷，認(rèn)為補(bǔ)償器工作中出現(xiàn)高伸縮位移量次數(shù)占比越高，相對(duì)剩余壽命越短；李永生等人[5]分別采用了疲勞壽命測(cè)試法和累計(jì)損傷法對(duì)在役膨脹節(jié)剩余壽命進(jìn)行了評(píng)估，得到的結(jié)果認(rèn)為2種方法均可以用來(lái)對(duì)膨脹節(jié)剩余壽命進(jìn)行評(píng)估且分析結(jié)果相近。

對(duì)于在役波紋管的安全性評(píng)價(jià)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(jì)疲勞壽命等均會(huì)對(duì)結(jié)果有影響，為了更準(zhǔn)確地評(píng)估在役膨脹節(jié)的使用情況，本文對(duì)某單位提供的已服役多年的波紋管膨脹節(jié)通過(guò)工況分析、材質(zhì)分析與設(shè)計(jì)校核、腐蝕狀況分析、承壓性能分析、疲勞性能分析等工作對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面評(píng)估，為產(chǎn)品的后續(xù)使用提出建議，同時(shí)也為波紋管膨脹節(jié)的安全性評(píng)價(jià)工作積累了經(jīng)驗(yàn)。

1 膨脹節(jié)服役概況

項(xiàng)目分析評(píng)估的膨脹節(jié)為直埋軸向型結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)壓力為1.6 MPa，設(shè)計(jì)溫度為130 ℃，結(jié)構(gòu)如圖1所示，宏觀樣貌見(jiàn)圖2，外管外側(cè)有保溫層覆蓋需通過(guò)后續(xù)解剖來(lái)進(jìn)一步分析。根據(jù)客戶(hù)提供的采暖季計(jì)量站統(tǒng)計(jì)表得到用于評(píng)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(shí)際服役時(shí)的最高工作溫度和最大工作壓力均達(dá)不到設(shè)計(jì)工況，工作溫度為設(shè)計(jì)溫度的57%～73%，工作壓力為設(shè)計(jì)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(shí)際最大伸長(zhǎng)位移，統(tǒng)計(jì)得到的工作溫度數(shù)據(jù)反映出管線實(shí)際運(yùn)行遠(yuǎn)未達(dá)到滿(mǎn)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(yàn)報(bào)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(jì)規(guī)范》中對(duì)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(cè)定用試樣的取樣和制樣方法》，對(duì)波紋管各層采用機(jī)械切割方法，取1塊試樣，然后加工為屑樣進(jìn)行成分分析，結(jié)果見(jiàn)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(jìn)行對(duì)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(jì)，在環(huán)境介質(zhì)接觸側(cè)采用了耐點(diǎn)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(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》進(jìn)行抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度測(cè)試。

圖3 試樣尺寸

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

表2 波紋管力學(xué)性能測(cè)試值

2.3 設(shè)計(jì)校核分析

按設(shè)計(jì)文件給出的設(shè)計(jì)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(duì)波紋管進(jìn)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(jì)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(jì)溫度下的許用應(yīng)力然后除以總厚度得到，計(jì)算得到該波紋管設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力為129.56 MPa。計(jì)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(wú)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(diǎn)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(jìn)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(huì)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(guò)掃描電鏡對(duì)點(diǎn)蝕坑深度進(jìn)行了測(cè)量，共選擇了5處測(cè)量，蝕坑微觀形貌見(jiàn)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(jìn)而計(jì)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(shí)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(guò)程中存在加工殘余應(yīng)力且工作中往復(fù)拉伸壓縮時(shí)也會(huì)有較大的工作應(yīng)力，實(shí)際破壞往往是點(diǎn)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(lái)計(jì)算與實(shí)際失效模式會(huì)存在一定偏差。

圖5 微觀形貌

●2.4.2 附著物成分分析

對(duì)殘留在波紋管內(nèi)壁表面的附著物取樣進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見(jiàn)表3，附著物中所含元素種類(lèi)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(duì)波紋管腐蝕性較小。

表3 附著物的元素種類(lèi)及含量 %

2.5 剩余疲勞壽命分析

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

對(duì)波紋管失效斷裂部位取樣通過(guò)掃描電鏡進(jìn)行斷口分析，分析結(jié)果顯示為多源疲勞斷裂特征，疲勞擴(kuò)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(yàn)裂紋的擴(kuò)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(yàn)位移計(jì)算得到波紋管設(shè)計(jì)疲勞壽命為120次，而GB／T 12777—2019中規(guī)定波紋管的疲勞試驗(yàn)次數(shù)應(yīng)不小于波紋管設(shè)計(jì)疲勞壽命次數(shù)的2倍，因此該波紋管的理論疲勞試驗(yàn)次數(shù)應(yīng)至少為240次。現(xiàn)試驗(yàn)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(jì)還可使用年限為6.1 a。上述計(jì)算得出的預(yù)計(jì)可使用年數(shù)可以為管線上相同類(lèi)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(huì)存在一定差異。

上述評(píng)估方法的預(yù)測(cè)精度仍有待優(yōu)化，實(shí)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(yàn)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(jì)疲勞壽命次數(shù)計(jì)算得到的波紋管疲勞壽命損傷率會(huì)低于實(shí)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(jìn)行波紋管累積疲勞損傷的計(jì)算方法。當(dāng)波紋管在運(yùn)行期間受到多種應(yīng)力循環(huán)作用時(shí)，分別算出每種應(yīng)力循環(huán)時(shí)的利用系數(shù)Ui，保證總的累積利用系數(shù)U小于1。

對(duì)于該膨脹節(jié)，服役期間存在的工況主要有開(kāi)停車(chē)、溫度波動(dòng)、管線沉降、壓力波動(dòng)，從用戶(hù)計(jì)量站反饋的數(shù)據(jù)可以看出膨脹節(jié)僅在運(yùn)行初期和停止運(yùn)行時(shí)管道有相對(duì)較大的溫度升降，正常運(yùn)行期間溫度波動(dòng)范圍很小。對(duì)于開(kāi)停車(chē)工況，每年按2次，與此工況對(duì)應(yīng)的相當(dāng)于全位移時(shí)的設(shè)計(jì)疲勞壽命為240次。對(duì)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(guò)度變形，此工況按120%位移考慮，對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)疲勞壽命為100次。對(duì)于溫度波動(dòng)，參考?xì)W盟《區(qū)域供熱手冊(cè)》規(guī)定，計(jì)算可得服役10 a總的供熱等效次數(shù)約為40.2次，見(jiàn)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(shí)，每天的小變動(dòng)起作用，而對(duì)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(jì)算所得，更多地考慮了塑性應(yīng)變的影響，更貼近實(shí)際情況，即最大波動(dòng)對(duì)疲勞壽命影響較大，整的作用影響由最大溫度波動(dòng)和大量小的溫度波動(dòng)組成[7]。單純的壓力波動(dòng)（按0.6～1.6 MPa波動(dòng)）產(chǎn)生的波紋管應(yīng)力變化范圍在200 MPa以?xún)?nèi)，對(duì)波紋管疲勞壽命幾乎沒(méi)有影響。

表4 供熱管網(wǎng)溫度變化過(guò)程估計(jì)

假設(shè)波紋管使用年數(shù)為X，根據(jù)Miner累計(jì)損傷方法計(jì)算波紋管的疲勞累計(jì)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(jì)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(jì)損傷的疲勞評(píng)估需要綜合考慮多個(gè)工況，實(shí)際膨脹節(jié)運(yùn)行期間不同工況下發(fā)生的位移變化即對(duì)應(yīng)的應(yīng)力狀態(tài)目前無(wú)法獲得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，故基于累計(jì)疲勞損傷評(píng)估也存在一定誤差。實(shí)際產(chǎn)品服役時(shí)疲勞壽命會(huì)受到外界環(huán)境及各種突發(fā)工況的影響，單純基于累計(jì)疲勞損傷評(píng)估產(chǎn)品剩余使用壽命所得剩余可使用年數(shù)會(huì)偏大。

3 結(jié)論

本文基于實(shí)際運(yùn)行工況對(duì)膨脹節(jié)進(jìn)行了安全性評(píng)價(jià)，并分別依據(jù)腐蝕速率計(jì)算、累積損傷等理論建立了波紋管剩余壽命評(píng)估方法用于指導(dǎo)工程應(yīng)用，同時(shí)得出以下結(jié)論。

1）基于腐蝕評(píng)估所得剩余使用壽命最低，基于累積疲勞損傷評(píng)估所得剩余壽命偏大，可以發(fā)現(xiàn)腐蝕對(duì)波紋管剩余壽命影響最大，為了保證波紋管膨脹節(jié)的長(zhǎng)周期安全可靠運(yùn)行，波紋管選材時(shí)需結(jié)合當(dāng)?shù)毓r特點(diǎn)選擇合適的耐腐蝕材質(zhì)或者采用增設(shè)保護(hù)波等其他結(jié)構(gòu)形式來(lái)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(xiǎn)，建議后期使用過(guò)程中及時(shí)監(jiān)測(cè)管線運(yùn)行狀況，避免管線運(yùn)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。