摘要：波紋管補(bǔ)償器的失效主要有腐蝕泄漏和失穩(wěn)兩種形式。通過(guò)正確地選擇波紋管制作材料和結(jié)構(gòu)、合理設(shè)計(jì)波形參數(shù)和疲勞壽命、保證安裝質(zhì)量等措施，可提高波紋管補(bǔ)償器的安全可靠性。
關(guān)鍵詞：波紋管 補(bǔ)償器 失效分析

　　1 前 言

　　波紋管補(bǔ)償器之所以能夠在許多行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，除具有良好的補(bǔ)償能力之外，高可靠性是主要原因。其可靠性是通過(guò)設(shè)計(jì)、制造、安裝、運(yùn)行管理等多個(gè)環(huán)節(jié)來(lái)保證的，任何一個(gè)環(huán)節(jié)的失控都會(huì)導(dǎo)致補(bǔ)償器壽命的降低甚至失效。作者經(jīng)過(guò)多年統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，造成波紋管補(bǔ)償器失效的原因：設(shè)計(jì)占10%，制造廠家偷工減料占50%，安裝不符合設(shè)備說(shuō)明要求占20%，其余由運(yùn)行管理不當(dāng)引起。

　　2 波紋管補(bǔ)償器的失效類(lèi)型及原因分析

　　2.1 失效類(lèi)型

　　波紋管的失效在管線試壓和運(yùn)行期間均有發(fā)生。管線試壓時(shí)出現(xiàn)問(wèn)題主要有三種類(lèi)型：由于管系臨時(shí)支撐不當(dāng)，或管系固定支架設(shè)置不合理，導(dǎo)致支架破壞，波紋管過(guò)量變形而失效；由于波紋管設(shè)計(jì)所考慮的壓力或位移安全富裕度不夠，管線試壓時(shí)波紋管產(chǎn)生失穩(wěn)變形失效；補(bǔ)償器制造質(zhì)量問(wèn)題，制造廠偷工減料，5層不銹鋼私自改為3層或更少。

　　波紋管在運(yùn)行期間的失效主要表現(xiàn)為腐蝕泄漏和失穩(wěn)變形兩種形式，其中以腐蝕失效居多。從腐蝕失效波紋管的解剖分析發(fā)現(xiàn)，腐蝕失效通常分點(diǎn)腐蝕穿孔和應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，其中氯離子應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂約占整個(gè)腐蝕失效的95％。波紋管失穩(wěn)有強(qiáng)度失穩(wěn)和結(jié)構(gòu)失穩(wěn)兩種類(lèi)型，強(qiáng)度失穩(wěn)包括內(nèi)外壓波紋管平面失穩(wěn)和外壓波紋管周向失穩(wěn)；結(jié)構(gòu)失穩(wěn)是內(nèi)壓波紋管補(bǔ)償器的柱失穩(wěn)。

　　2.2 設(shè)計(jì)疲勞壽命與穩(wěn)定性及應(yīng)力腐蝕的關(guān)系

　　波紋管的設(shè)計(jì)主要考慮耐壓強(qiáng)度、穩(wěn)定性和疲勞性能等三個(gè)方面的因素。雖然國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和美國(guó)EJMA標(biāo)準(zhǔn)對(duì)這幾方面的計(jì)算和評(píng)定都有明確的規(guī)定，但從多年的應(yīng)用實(shí)踐和波紋管失效分析中發(fā)現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)中給出的關(guān)于穩(wěn)定性的計(jì)算和評(píng)定方法不夠全面，且疲勞壽命也僅給出了比較粗的界限范圍（平均疲勞壽命在 103～105適用）。有時(shí)一個(gè)完全符合標(biāo)準(zhǔn)要求的產(chǎn)品，在實(shí)際使用時(shí)也會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題。如內(nèi)壓軸向型補(bǔ)償器預(yù)變位狀態(tài)在壓力試驗(yàn)時(shí)波紋管易產(chǎn)生平面失穩(wěn)，大直徑外壓軸向型補(bǔ)償器全位移工作狀態(tài)波紋管易產(chǎn)生周向失穩(wěn)，小直徑復(fù)式拉桿型補(bǔ)償器、鉸鏈型補(bǔ)償器全位移工作狀態(tài)易產(chǎn)生柱失穩(wěn)。波紋管過(guò)大的變形不僅對(duì)其穩(wěn)定性造成影響，還會(huì)為應(yīng)力腐蝕提供有利的環(huán)境條件。

　　2.2.1 波紋管疲勞壽命與其綜合應(yīng)力 波紋管的補(bǔ)償量取決于其疲勞壽命，疲勞壽命越高，波紋管單波補(bǔ)償量越小。為了降低成本，提高單波補(bǔ)償量，有些生產(chǎn)廠家將波紋管的許用疲勞壽命降得很低，這樣會(huì)導(dǎo)致由位移引起的波紋管子午向彎曲應(yīng)力很大，綜合應(yīng)力很高，大大降低了波紋管的穩(wěn)定性。表1給出了無(wú)加強(qiáng)U形波紋管許用疲勞壽命與子午向綜合應(yīng)力及單波補(bǔ)償量之間的關(guān)系。

表1 許用疲勞壽命與綜合應(yīng)力及單波補(bǔ)償量關(guān)系

許用疲勞壽命［N］/次 5000 3000 2000 1000 500 200 100
綜合應(yīng)力σt/MPa 902 988 1066 1224 1417 1741 2051
單波位移e/％ 70 80 90 100 120 150 175

　　注：（1）綜合應(yīng)力為由位移和壓力引起的波紋管子午向綜合名義應(yīng)力；（2）波紋管平均疲勞壽命N＝10［N］；（3）單波位移給出的是以許用壽命1000次為參照的參考值。

　　由表1可以看出，降低疲勞壽命可以大幅度地提高波紋管單波位移，但同時(shí)波紋管綜合應(yīng)力也有大幅度地提高，這必將對(duì)波紋管的強(qiáng)度和穩(wěn)定性造成較大的影響。

　　2.2.2 波紋管的綜合應(yīng)力與其耐壓強(qiáng)度 由標(biāo)準(zhǔn)中給出的波紋管平面穩(wěn)定性和周向穩(wěn)定性的計(jì)算方法和評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)可以看出，二者反映的均為強(qiáng)度問(wèn)題。當(dāng)波紋管設(shè)計(jì)的許用壽命較低時(shí)，不僅其子午向綜合應(yīng)力較高，環(huán)向應(yīng)力也比較高，使波紋管局部很快進(jìn)入塑性變形，導(dǎo)致波紋管失穩(wěn)。
 

　　對(duì)于內(nèi)壓波紋管，位移應(yīng)力在波紋管波峰和波谷處形成塑性鉸，再加上壓力應(yīng)力，波紋管很快產(chǎn)生平面失穩(wěn)。這就是低疲勞壽命波紋管在位移條件下平面失穩(wěn)壓力遠(yuǎn)低于高疲勞壽命的波紋管的根本原因。例如在預(yù)變位狀態(tài)下，即波紋管位移量為許用值的1/2時(shí)，一個(gè)許用疲勞壽命為200次的波紋管，尚未達(dá)到其允許設(shè)計(jì)壓力時(shí)，已經(jīng)產(chǎn)生平面失穩(wěn)；許用疲勞壽命為1000次的波紋管，達(dá)到設(shè)計(jì)壓力時(shí)，波紋管處于平面穩(wěn)定狀態(tài)，達(dá)到1.5倍設(shè)計(jì)壓力時(shí)，波紋管處于臨界失穩(wěn)狀態(tài)；許用疲勞壽命為2000次的波紋管達(dá)到設(shè)計(jì)壓力1.5倍時(shí)，波紋管仍處于平面穩(wěn)定狀態(tài)。

　　從外壓波紋管縱向剖面看，相當(dāng)于一個(gè)受壓力的拱梁，工作時(shí)波紋管處于拉伸狀態(tài)，相當(dāng)于拱梁降低了拱高，其抗失穩(wěn)的能力自然降低。當(dāng)波紋管單波位移過(guò)大時(shí)，波紋平直部分傾斜，使得波紋管波峰直徑有縮小的趨勢(shì)，但波峰圓環(huán)直徑是確定的，為了協(xié)調(diào)變形，就會(huì)產(chǎn)生波峰塌陷，波紋管周向失穩(wěn)。在國(guó)內(nèi)外相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)中，關(guān)于位移對(duì)波紋管外壓周向穩(wěn)定性的影響均未涉及，有待于深入探討。