補(bǔ)償器的失效類型及原因分析

一、失效類型

　　補(bǔ)償器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)問題主要有三種類型：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，補(bǔ)償器過量變形而失效；由于補(bǔ)償器設(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)補(bǔ)償器產(chǎn)生失穩(wěn)變形失效；補(bǔ)償器制造質(zhì)量問題，制造廠偷工減料，5層不銹鋼私自改為3層或更少。

　　補(bǔ)償器在運(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。從腐蝕失效補(bǔ)償器的解剖分析發(fā)現(xiàn)，腐蝕失效通常分點(diǎn)腐蝕穿孔和應(yīng)力腐蝕開裂，其中氯離子應(yīng)力腐蝕開裂約占整個(gè)腐蝕失效的95%。補(bǔ)償器失穩(wěn)有強(qiáng)度失穩(wěn)和結(jié)構(gòu)失穩(wěn)兩種類型，強(qiáng)度失穩(wěn)包括內(nèi)外壓補(bǔ)償器平面失穩(wěn)和外壓補(bǔ)償器周向失穩(wěn)；結(jié)構(gòu)失穩(wěn)是內(nèi)壓補(bǔ)償器補(bǔ)償器的柱失穩(wěn)。

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

　　補(bǔ)償器的設(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。雖然國家標(biāo)準(zhǔn)和美國EJMA標(biāo)準(zhǔn)對這幾方面的計(jì)算和評定都有明確的規(guī)定，但從多年的應(yīng)用實(shí)踐和補(bǔ)償器失效分析中發(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)補(bǔ)償器易產(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)補(bǔ)償器易產(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)。補(bǔ)償器過大的變形不僅對其穩(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。 補(bǔ)償器疲勞壽命與其綜合應(yīng)力

　　補(bǔ)償器的補(bǔ)償量取決于其疲勞壽命，疲勞壽命越高，補(bǔ)償器單波補(bǔ)償量越小。為了降低成本，提高單波補(bǔ)償量，有些生產(chǎn)廠家將補(bǔ)償器的許用疲勞壽命降得很低，這樣會(huì)導(dǎo)致由位移引起的補(bǔ)償器子午向彎曲應(yīng)力很大，綜合應(yīng)力很高，大大降低了補(bǔ)償器的穩(wěn)定性。表1給出了無加強(qiáng)U形補(bǔ)償器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。

補(bǔ)償器的綜合應(yīng)力與其耐壓強(qiáng)度

　　由標(biāo)準(zhǔn)中給出的補(bǔ)償器平面穩(wěn)定性和周向穩(wěn)定性的計(jì)算方法和評定標(biāo)準(zhǔn)可以看出，二者反映的均為強(qiáng)度問題。當(dāng)補(bǔ)償器設(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，使補(bǔ)償器局部很快進(jìn)入塑性變形，導(dǎo)致補(bǔ)償器失穩(wěn)。

　　對于內(nèi)壓補(bǔ)償器，位移應(yīng)力在補(bǔ)償器波峰和波谷處形成塑性鉸，再加上壓力應(yīng)力，補(bǔ)償器很快產(chǎn)生平面失穩(wěn)。這就是低疲勞壽命補(bǔ)償器在位移條件下平面失穩(wěn)壓力遠(yuǎn)低于高疲勞壽命的補(bǔ)償器的根本原因。例如在預(yù)變位狀態(tài)下，即補(bǔ)償器位移量為許用值的1/2時(shí)，一個(gè)許用疲勞壽命為200次的補(bǔ)償器，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次的補(bǔ)償器，達(dá)到設(shè)計(jì)壓力時(shí)，補(bǔ)償器處于平面穩(wěn)定狀態(tài)，達(dá)到1.5倍設(shè)計(jì)壓力時(shí)，補(bǔ)償器處于臨界失穩(wěn)狀態(tài)；許用疲勞壽命為2000次的補(bǔ)償器達(dá)到設(shè)計(jì)壓力1.5倍時(shí)，補(bǔ)償器仍處于平面穩(wěn)定狀態(tài)。

　　從外壓補(bǔ)償器縱向剖面看，相當(dāng)于一個(gè)受壓力的拱梁，工作時(shí)補(bǔ)償器處于拉伸狀態(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)補(bǔ)償器單波位移過大時(shí)，波紋平直部分傾斜，使得補(bǔ)償器波峰直徑有縮小的趨勢，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，補(bǔ)償器周向失穩(wěn)。在國內(nèi)外相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)中，關(guān)于位移對補(bǔ)償器外壓周向穩(wěn)定性的影響均未涉及，有待于深入探討。

　　綜上所述，雖然至今為止在熱力管網(wǎng)的應(yīng)用過程中尚未發(fā)現(xiàn)由疲勞而引起的破壞，但補(bǔ)償器過低的設(shè)計(jì)疲勞壽命，將會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。

補(bǔ)償器位移與其柱穩(wěn)定性

　　對于復(fù)式拉桿型和鉸鏈型補(bǔ)償器，橫向位移是由補(bǔ)償器角變位引起中間管段傾斜實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)補(bǔ)償器產(chǎn)生角變位時(shí)，補(bǔ)償器凸出側(cè)承壓面積大于凹陷側(cè)承壓面積，導(dǎo)致補(bǔ)償器附加了一個(gè)橫向力，較之軸向型補(bǔ)償器更易產(chǎn)生柱失穩(wěn)。顯然補(bǔ)償器單波位移越大，補(bǔ)償器橫向位移越大，越易產(chǎn)生柱失穩(wěn)。

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