摘要：波紋管補償器的失效主要有腐蝕泄漏和失穩兩種形式。通過正確地選擇波紋管制作材料和結構、合理設計波形參數和疲勞壽命、保證安裝質量等措施，可提高波紋管補償器的安全可靠性。
關鍵(jian)詞：波(bo)紋(wen)管 補償器 失(shi)效分析

　　1 前 言

　　波紋(wen)管(guan)補償(chang)器(qi)之(zhi)所以能(neng)(neng)夠在許多行(xing)業中(zhong)得到廣(guang)泛(fan)應用(yong)，除具有(you)良好的補償(chang)能(neng)(neng)力之(zhi)外，高可(ke)靠(kao)性是主要(yao)(yao)原(yuan)(yuan)因。其(qi)可(ke)靠(kao)性是通過設(she)(she)計(ji)、制造(zao)、安裝(zhuang)、運(yun)行(xing)管(guan)理等多個環節來保證的，任何(he)一個環節的失(shi)控(kong)都(dou)會導致(zhi)補償(chang)器(qi)壽命的降低(di)甚至失(shi)效。作者經(jing)過多年統計(ji)發現，造(zao)成波紋(wen)管(guan)補償(chang)器(qi)失(shi)效的原(yuan)(yuan)因：設(she)(she)計(ji)占(zhan)10%，制造(zao)廠(chang)家偷工減料(liao)占(zhan)50%，安裝(zhuang)不符合設(she)(she)備說明要(yao)(yao)求占(zhan)20%，其(qi)余(yu)由運(yun)行(xing)管(guan)理不當引起。

　　2 波紋管(guan)補(bu)償器的失效類型及原因分析

　　2.1 失效類(lei)型

　　波(bo)紋管(guan)(guan)的失(shi)效在(zai)管(guan)(guan)線(xian)試壓和運行期(qi)間均有發生。管(guan)(guan)線(xian)試壓時出現問題主要有三種類(lei)型(xing)：由于管(guan)(guan)系臨時支撐不當(dang)，或管(guan)(guan)系固定(ding)支架設(she)置不合理(li)，導致支架破壞(huai)，波(bo)紋管(guan)(guan)過量變形(xing)而失(shi)效；由于波(bo)紋管(guan)(guan)設(she)計所(suo)考慮的壓力或位(wei)移(yi)安(an)全富裕度不夠，管(guan)(guan)線(xian)試壓時波(bo)紋管(guan)(guan)產生失(shi)穩變形(xing)失(shi)效；補償(chang)器制造質量問題，制造廠偷工(gong)減料，5層不銹鋼私(si)自改為3層或更少(shao)。

　　波(bo)(bo)紋(wen)(wen)管(guan)在運行(xing)期間的失(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)效(xiao)主要表現為腐(fu)蝕(shi)泄漏和(he)失(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)穩(wen)(wen)變形兩(liang)種形式，其(qi)中以腐(fu)蝕(shi)失(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)效(xiao)居多(duo)。從腐(fu)蝕(shi)失(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)效(xiao)波(bo)(bo)紋(wen)(wen)管(guan)的解剖分(fen)析發(fa)現，腐(fu)蝕(shi)失(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)效(xiao)通常(chang)分(fen)點腐(fu)蝕(shi)穿孔和(he)應(ying)力腐(fu)蝕(shi)開裂，其(qi)中氯離子應(ying)力腐(fu)蝕(shi)開裂約占整(zheng)個腐(fu)蝕(shi)失(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)效(xiao)的95％。波(bo)(bo)紋(wen)(wen)管(guan)失(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)穩(wen)(wen)有強(qiang)度失(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)穩(wen)(wen)和(he)結構(gou)(gou)失(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)穩(wen)(wen)兩(liang)種類型(xing)，強(qiang)度失(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)穩(wen)(wen)包括內外(wai)壓波(bo)(bo)紋(wen)(wen)管(guan)平面失(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)穩(wen)(wen)和(he)外(wai)壓波(bo)(bo)紋(wen)(wen)管(guan)周向失(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)穩(wen)(wen)；結構(gou)(gou)失(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)穩(wen)(wen)是內壓波(bo)(bo)紋(wen)(wen)管(guan)補(bu)償器的柱(zhu)失(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)穩(wen)(wen)。

　　2.2 設計疲勞壽命(ming)與穩定性及應力腐蝕的關(guan)系

　　波(bo)紋(wen)管的(de)(de)設計(ji)(ji)主要考慮耐壓(ya)強度、穩(wen)定(ding)性(xing)和(he)(he)疲(pi)(pi)(pi)勞性(xing)能等三個方(fang)面的(de)(de)因素。雖然國(guo)家標準和(he)(he)美國(guo)EJMA標準對(dui)這幾方(fang)面的(de)(de)計(ji)(ji)算和(he)(he)評定(ding)都有(you)明確的(de)(de)規定(ding)，但從多年的(de)(de)應用實踐(jian)和(he)(he)波(bo)紋(wen)管失效分析中發現，標準中給出(chu)的(de)(de)關于(yu)穩(wen)定(ding)性(xing)的(de)(de)計(ji)(ji)算和(he)(he)評定(ding)方(fang)法不(bu)夠全(quan)面，且疲(pi)(pi)(pi)勞壽命也僅給出(chu)了(le)比較粗的(de)(de)界限范圍（平均疲(pi)(pi)(pi)勞壽命在 103～105適用）。有(you)時一個完全(quan)符合(he)標準要求的(de)(de)產(chan)(chan)品，在實際使用時也會出(chu)現一些問題。如內壓(ya)軸(zhou)向型(xing)補(bu)償(chang)器(qi)預變位狀態在壓(ya)力試驗時波(bo)紋(wen)管易產(chan)(chan)生(sheng)平面失穩(wen)，大直徑外(wai)壓(ya)軸(zhou)向型(xing)補(bu)償(chang)器(qi)全(quan)位移工作(zuo)狀態波(bo)紋(wen)管易產(chan)(chan)生(sheng)周向失穩(wen)，小直徑復式拉(la)桿(gan)型(xing)補(bu)償(chang)器(qi)、鉸鏈型(xing)補(bu)償(chang)器(qi)全(quan)位移工作(zuo)狀態易產(chan)(chan)生(sheng)柱(zhu)失穩(wen)。波(bo)紋(wen)管過大的(de)(de)變形(xing)不(bu)僅對(dui)其(qi)穩(wen)定(ding)性(xing)造成影響(xiang)，還會為(wei)應力腐蝕提供有(you)利的(de)(de)環境(jing)條件。

　　2.2.1 波(bo)(bo)紋(wen)管(guan)(guan)(guan)(guan)疲勞(lao)壽(shou)(shou)命(ming)與其(qi)綜(zong)(zong)合應(ying)力(li)(li) 波(bo)(bo)紋(wen)管(guan)(guan)(guan)(guan)的補償量取決于其(qi)疲勞(lao)壽(shou)(shou)命(ming)，疲勞(lao)壽(shou)(shou)命(ming)越(yue)高，波(bo)(bo)紋(wen)管(guan)(guan)(guan)(guan)單波(bo)(bo)補償量越(yue)小。為了(le)(le)降低成本，提高單波(bo)(bo)補償量，有些生產廠家將波(bo)(bo)紋(wen)管(guan)(guan)(guan)(guan)的許(xu)用疲勞(lao)壽(shou)(shou)命(ming)降得很低，這樣會導(dao)致由位移引起的波(bo)(bo)紋(wen)管(guan)(guan)(guan)(guan)子午向(xiang)彎曲應(ying)力(li)(li)很大，綜(zong)(zong)合應(ying)力(li)(li)很高，大大降低了(le)(le)波(bo)(bo)紋(wen)管(guan)(guan)(guan)(guan)的穩定性。表1給出了(le)(le)無(wu)加強U形波(bo)(bo)紋(wen)管(guan)(guan)(guan)(guan)許(xu)用疲勞(lao)壽(shou)(shou)命(ming)與子午向(xiang)綜(zong)(zong)合應(ying)力(li)(li)及單波(bo)(bo)補償量之間的關系。

表1 許用疲(pi)勞壽(shou)命(ming)與(yu)綜合應力及(ji)單波(bo)補(bu)償量關系

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

　　注：（1）綜合應力(li)為(wei)由位(wei)移和壓力(li)引起的波(bo)紋管子午向綜合名(ming)義應力(li)；（2）波(bo)紋管平均疲(pi)勞壽命(ming)(ming)N＝10［N］；（3）單波(bo)位(wei)移給出(chu)的是以許用壽命(ming)(ming)1000次為(wei)參照(zhao)的參考值。

　　由(you)表1可以看出，降(jiang)低疲勞(lao)壽(shou)命可以大(da)(da)幅度地提高(gao)(gao)波紋(wen)(wen)管(guan)(guan)單波位(wei)移，但(dan)同時波紋(wen)(wen)管(guan)(guan)綜合應力也有大(da)(da)幅度地提高(gao)(gao)，這必將對波紋(wen)(wen)管(guan)(guan)的強度和穩定性造(zao)成較大(da)(da)的影響(xiang)。

　　2.2.2 波紋管的綜合應力與其耐壓強度 由標準中給出的波紋管平面穩定性和周向穩定性的計算方法和評定標準可以看出，二者反映的均為強度問題。當波紋管設計的許用壽命較低時，不僅其子午向綜合應力較高，環向應力也比較高，使波紋管局部很快進入塑性變形，導致波紋管失穩。
 

　　對于內壓波(bo)(bo)(bo)(bo)(bo)(bo)紋(wen)(wen)管(guan)(guan)(guan)，位移應力(li)(li)在(zai)波(bo)(bo)(bo)(bo)(bo)(bo)紋(wen)(wen)管(guan)(guan)(guan)波(bo)(bo)(bo)(bo)(bo)(bo)峰和波(bo)(bo)(bo)(bo)(bo)(bo)谷處形成(cheng)塑性(xing)鉸，再加(jia)上(shang)壓力(li)(li)應力(li)(li)，波(bo)(bo)(bo)(bo)(bo)(bo)紋(wen)(wen)管(guan)(guan)(guan)很快產生平(ping)(ping)(ping)面(mian)(mian)失(shi)穩。這就是低(di)疲(pi)勞(lao)壽(shou)命波(bo)(bo)(bo)(bo)(bo)(bo)紋(wen)(wen)管(guan)(guan)(guan)在(zai)位移條件下(xia)平(ping)(ping)(ping)面(mian)(mian)失(shi)穩壓力(li)(li)遠低(di)于高疲(pi)勞(lao)壽(shou)命的(de)波(bo)(bo)(bo)(bo)(bo)(bo)紋(wen)(wen)管(guan)(guan)(guan)的(de)根本(ben)原因。例如在(zai)預(yu)變位狀態下(xia)，即波(bo)(bo)(bo)(bo)(bo)(bo)紋(wen)(wen)管(guan)(guan)(guan)位移量為(wei)許(xu)用(yong)值的(de)1/2時(shi)，一個許(xu)用(yong)疲(pi)勞(lao)壽(shou)命為(wei)200次(ci)(ci)的(de)波(bo)(bo)(bo)(bo)(bo)(bo)紋(wen)(wen)管(guan)(guan)(guan)，尚未達(da)到(dao)其允(yun)許(xu)設計(ji)壓力(li)(li)時(shi)，已經(jing)產生平(ping)(ping)(ping)面(mian)(mian)失(shi)穩；許(xu)用(yong)疲(pi)勞(lao)壽(shou)命為(wei)1000次(ci)(ci)的(de)波(bo)(bo)(bo)(bo)(bo)(bo)紋(wen)(wen)管(guan)(guan)(guan)，達(da)到(dao)設計(ji)壓力(li)(li)時(shi)，波(bo)(bo)(bo)(bo)(bo)(bo)紋(wen)(wen)管(guan)(guan)(guan)處于平(ping)(ping)(ping)面(mian)(mian)穩定狀態，達(da)到(dao)1.5倍設計(ji)壓力(li)(li)時(shi)，波(bo)(bo)(bo)(bo)(bo)(bo)紋(wen)(wen)管(guan)(guan)(guan)處于臨界失(shi)穩狀態；許(xu)用(yong)疲(pi)勞(lao)壽(shou)命為(wei)2000次(ci)(ci)的(de)波(bo)(bo)(bo)(bo)(bo)(bo)紋(wen)(wen)管(guan)(guan)(guan)達(da)到(dao)設計(ji)壓力(li)(li)1.5倍時(shi)，波(bo)(bo)(bo)(bo)(bo)(bo)紋(wen)(wen)管(guan)(guan)(guan)仍處于平(ping)(ping)(ping)面(mian)(mian)穩定狀態。

　　從外(wai)壓(ya)波(bo)(bo)紋(wen)管(guan)(guan)(guan)縱向剖面(mian)看(kan)，相(xiang)當于一(yi)個受壓(ya)力(li)的拱(gong)梁(liang)，工作時(shi)波(bo)(bo)紋(wen)管(guan)(guan)(guan)處于拉伸(shen)狀(zhuang)態，相(xiang)當于拱(gong)梁(liang)降(jiang)低(di)了拱(gong)高(gao)，其抗失(shi)穩(wen)(wen)的能力(li)自然降(jiang)低(di)。當波(bo)(bo)紋(wen)管(guan)(guan)(guan)單波(bo)(bo)位移(yi)過大時(shi)，波(bo)(bo)紋(wen)平(ping)直(zhi)部(bu)分傾斜，使得波(bo)(bo)紋(wen)管(guan)(guan)(guan)波(bo)(bo)峰直(zhi)徑(jing)有縮小的趨勢，但波(bo)(bo)峰圓環直(zhi)徑(jing)是確定的，為(wei)了協(xie)調變形(xing)，就會產生波(bo)(bo)峰塌陷，波(bo)(bo)紋(wen)管(guan)(guan)(guan)周(zhou)(zhou)向失(shi)穩(wen)(wen)。在(zai)國(guo)內外(wai)相(xiang)應的標準中(zhong)，關于位移(yi)對(dui)波(bo)(bo)紋(wen)管(guan)(guan)(guan)外(wai)壓(ya)周(zhou)(zhou)向穩(wen)(wen)定性的影(ying)響均(jun)未涉及，有待于深入探討(tao)。