供热管网波纹管补偿器爆裂破损原因分析及解决方法.doc
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1、供热管网波纹管补偿器爆裂破损原因分析及解决方法闻作祥 吴星 北京市热力集团 2003-05-30本文提要:北京市集中供热管网,从2000年3月底至5月,二个月期间相继发生供热干线波纹管爆裂破损问题,使人们引发了对波纹管补偿器如何正确设计、加工及运行管理等诸多问题的思考。本文分析了破损原因,提出了解决的方法,并对如何看待波纹管补偿器的问题提出全新诠释。 1 问题的提出 波纹管补偿器作为一种新型补偿设备,从80年末期开始使用,90年代得以大力推广。作为一种补偿性能良好,使用维护简单的补偿器,特别是在代替以往套筒式补偿器方面,得到大家的认可,但随着其使用年限与范围的增加、扩展,特别是在供热系统中波纹
2、管爆裂破损事故的不断发生,使得我们必须站在新的高度,重新认识波纹管补偿器。 下面三图是北京市集中供热系统波纹管补偿器爆损的情况。 2001年3月30日,北京国华热电厂供热干线的朝阳线16号DN1000铰接波纹管(本文以下简称A波纹管)突然发生爆裂,致使国华热电厂停泵,供热主干线中断正常运行三个月。参见图1。 图1 A波纹管爆损图 2001年5月14日,北京石景山热电厂供热主干线之一的西三环6号DN800铰接波纹管(本文以下简称B波纹管)发现已严重破损,四层中已有三层开裂,不能正常运行,被迫中断运行。参见图2。 图2 B波纹管破损图 2001年5月23日,北京华能热电厂蒸汽主干线DN1000波纹
3、管补偿器(本文以下简称C波纹管),发生了大量蒸汽泄漏,华能热电厂被迫调整工况,停止蒸汽外供,蒸汽干线停汽三周。参见图3。 图3 C波纹管失稳图接连不断的问题,引起供热界广大技术人员的关注,波纹管补偿器在目前供热管网中被广泛使用,仅北京市集中供热网中就有三千多个,特别是在大口径的供热主干线上,波纹管是目前唯一的补偿设备,一旦发生问题后果十分严重,必须引起高度重视。本文试分析波纹管爆裂破损各种原因,及波纹管补偿器在设计、生产、施工和运行管理各方面存在的问题,并在此基础上提出解决问题的方法。 2 原因分析 事故原因我们从6个方面进行了分析,试述如下: 2 1 外观观察 A和B波纹管的外观观察呈现一样
4、的特征,波纹管外层的外壁有少量腐蚀产物,但仍然保持银白色的金属光泽,裂纹很细,走向各异。在波纹管的第一层内壁以及第二、三层的内外壁有大量腐蚀产物附着,不锈钢薄板已经完全失去了金属光泽,坠落地 面已无金属声响,层间堵塞大量腐蚀产物已无结合力,第四层外表面有少量腐蚀产物和小裂纹,内表面附着均匀的薄水垢,无腐蚀产物,表面呈银灰色。 裂纹情况与腐蚀产物相近,以第二、三层裂纹最多、最粗,第一层其次,第四层相对较少、较细。裂纹扩展方向具有发散特征,向各个方向开裂。 以上观察我们可以判断:波纹管的腐蚀开裂应是外层逐层向内各层波纹管发展的,只是各层波纹管腐蚀破坏在时间上的先后关系,才出现各层腐蚀开裂程度上的明
5、显差异。腐蚀来自波纹管外,在进入波纹管层间后,连续并加快了腐蚀的产生。 C波纹管内外各层均无腐蚀,但已严重变形,经着色分析未发现层间进汽现象。由此我们可以排除腐蚀及层间进汽原因而产生的破坏。 22腐蚀产物分析 从波纹管一至四层裂纹及断口处取腐蚀产物,用X射线荧光分析仪,在实验条件下查明,腐蚀产物中主要元素为O,Fe,Cr,Ni,Si,Al,Mg等,所有腐蚀产物均含有Cl元素。对腐蚀产物作能谱分析,其结果参见表1。 表1 波纹管第1层裂纹及断口处腐蚀产物能谱分析结果1 2 3 4 外层 内层 外层 内层 层 内层 外层 内层 CI 1.49 0.43 1.29 1.07 4.22 2.47 0.
6、35 2.35 4.24 0.29 2.58 1.12 5.53 1.33 1.25 12.15 12.15 0.82 0.72 0.47 0.67 Si 3.44 31.13 3.81 24.29 1.11 2.88 4.11 4.02 11.72 3.31 16.46 9.89 3.76 1.76 6.45 9.77 0.75 1.90 3.39 5.69 17.51 1.93 0.17 S 0.61 1.66 9.01 0.82 1.35 0.39 1.35 0.31 0.24 1.15 0.31 2.38 0.98 4.11 0.23 Ca 2.21 6.16 2.37 10.63 2
7、.02 50.88 4.13 4.06 1.29 2.83 1.87 3.28 3.54 5.67 0.57 1.50 1.11 3.42 0.67 1.01 1.02 1.34 Cr 22.82 2.58 60.27 51.11 5.04 7.65 20.28 34.53 44.25 27.35 17.72 17.87 18.23 从表1可以看出,从外层至内层均有Cl元素的分布及富集,并大大超出了导致304不锈钢应力腐蚀开裂临界值的Cl含量(500ppm=0.050%)可以认为在含有Cl的环境中,再加上温度,应力及材质因素,构成了304材质应力腐蚀开裂(SCC)方面的很大敏感性。随着Cl浓度
8、增加,不锈钢的应力腐蚀敏感性增加,能谱分析测到的氯元素重量百分比最低为4300ppm,最高为120000ppm,已经完全具备了发生应力腐蚀的条件。 23材质及微观金相分析 对波纹管基材的化学成分分析结果如表2。 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 18.0020.00 8.0010.50 余量 0Cr19Ni9 (GB1220-92) 0.08 1.0 2.0 0.00
9、35 00030 18.0020.00 8.0010.50 余量 对金相试样我们同时进行了扫描电镜分析,对这两项的分析表明:231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。 232逐层金相组织观察均发现形变马氏体。 233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。 24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
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