膨胀节腐蚀问题分析及防护策略

膨胀节腐蚀问题分析及防护策略
摘要：由于某些原因，在役波纹管膨胀节总会造成损坏，其中腐蚀开裂占
主要部分，因为波纹补偿器的原材料是由不锈钢波纹管制成，虽说是不锈钢材质
但在一定的环境下也是会发生腐蚀的，波纹补偿器腐蚀所受的应力状况较为复杂。

关键词：波纹管膨胀节,波纹元件,失效,腐蚀防护
引言
化工管道都会随介质温度变化而热胀冷缩，对于一些应力敏感的设备，比如
大型泵、压缩机，管道伸缩引起的应力将会导致工况变化，进而破坏设备或管道。

膨胀节就是用来消除由于介质温度而引起的应力，防止管道发生较大位移。

由于
它具有在有限的空间内能提供很好的柔性、隔离机械振动、节省安装空间、安装
简单、性能良好等优点，已被广泛应用于石油、化工、冶金、核能等领域。

波纹管膨胀节按结构型式可分为轴向型、铰链型、自由型、拉杆型、压力平
衡型五大类型，现仅简单介绍设计中常用的三种类型。

1、波纹管膨胀节可靠性分析
波纹管膨胀节的的可靠性是通过设计、制造、安装、运行管理等多个环节保
证的，任何一个环节的失控都会导致膨胀节寿命的降低甚至失效，即便如此，从
近十几年波纹管膨胀节在供热工程中的应用实践来看，其可靠度还是很高的。

据
统计，我所近十年来供给供热电行业的九千余套膨胀节中，腐蚀失效的膨胀节5
套（环境腐蚀引起），管系试压失效膨胀节9套（试压时压力表失效），工作超
压失稳失效的膨胀节5套，结构件焊接造成膨胀节失效1套（与制造相关），共
计20套，其可靠度达到0.998。

对于民用工矿设备来说，已经相当安全可靠了。

2、供热管网用波纹管膨胀节失效原因分析
2.1波纹管失效类型
供热管网用波纹管膨胀节的失效在管线试压和运行期间均有发生。

管线试压
时出现问题主要有三种类型：
（1）由于管系临时支撑不当，或管系固定支架设置不合理，导致支架破坏，波纹管过量变形而失效；
（2）由于波纹管设计所考虑的压力或位移安全裕度不够，管线试压时波纹
管产生失稳变形失效；
（3）膨胀节制造质量问题，此类失效以小制造厂产品居多。

波纹管在运行期间的失效主要表现为腐蚀泄漏和失稳变形两种形式，其中又
以腐蚀失效居多。

从腐蚀失效波纹管的解剖分析发现，腐蚀失效通常分两种类型：点腐蚀穿孔和应力腐蚀开裂；其中氯离子应力腐蚀开裂约占整个腐蚀失效的95％。

波纹管失稳有两种类型：强度失稳和结构失稳；强度失稳包括内外压波纹管平面
失稳和外压波纹管周向失稳，结构失稳是内压波纹管膨胀节的柱失稳。

2.2波纹管失效原因分析
从近二十年波纹管在供热管网的应用实践来看，波纹管的腐蚀失效与内部输
送介质和外部环境条件均有关系。

当内部介质符合标准要求时，外部环境的腐蚀
是造成波纹管失效的主要原因。

架空管网在安装完毕后，通常会将管道连波纹管膨胀节一起包覆于密封的外
护层中，当外护层密封不理想时，大气中的腐蚀介质、酸雨、沿海地区盐雾等均
会对波纹管造成腐蚀。

但至今尚无架空管线腐蚀失效的报道。

地沟敷设是城市集中供热最常见的敷设方式。

理想的地沟环境是适合波纹管
工作的。

当地沟中存在污水、含盐碱的地下水、融雪盐水或其它腐蚀性介质时，
用300系不锈钢制造的波纹管往往使用一个或几个供暖周期就腐蚀失效。

此类失
效在天津经济开发区、北京供热管网中均出现过。

天津经济开发区属于高地下水
位地区，小室中一直有高浓度的盐碱水，波纹管浸泡在腐蚀溶液中，一般一个供
热周期波纹管即失效，属于系统腐蚀的问题。

北京供热管网的膨胀节失效是由于
小室进水，波纹管长期浸泡于腐蚀介质中而导致的腐蚀破坏，有较多的偶然因素。

直埋管网用波纹管膨胀节由于管线直埋于地下，膨胀节与管道接口处很难实
现理想的密封连接，因此直埋管网波纹管最常见失效是由于外部腐蚀介质引起的。

3、波纹管膨胀节可靠性设计
3.1.1波纹管材料选择
对用于供热管网的波纹管的选材，除应考虑工作介质、工作温度和外部环境外。

还应考虑应力腐蚀的可能性、水处理剂和管道清洗剂对材料的影响等，并在
此基础上结合波纹管材料的焊接、成型以及材料的性能价格比，优选出经济实用
的波纹管材料。

在大气、水蒸气和淡水等弱介质中，300系不锈钢是耐蚀的。

这一点已在众
多城市供热管网中的成功应用中都得到了证实。

如天津供热管网（架空管线）波
纹管材料选用1Cr18Ni9Ti，自84年开始运行，至今已运行19个供暖周期，尚未
发现有腐蚀破坏的案例。

为了提高波纹管的耐蚀性，现供热管网波纹管的用材多
选用316或316L，这两种材料用于热力管网应该是性能价格比较为优良的材料。

对于地沟敷设的热力管网，当膨胀节所处管道地势较低，雨水或事故性污水
不可避免的会浸泡波纹管时，应考虑选用耐蚀性更强的材料。

如铁镍合金、高镍
合金等。

由于此类材料价格较高，在制造波纹管时，可以考虑仅在与腐蚀性介质
接触的表面增加一层耐蚀合金。

3.1.2疲劳寿命设计
由波纹管膨胀节的失效类型及原因分析可以看出，波纹管的平面稳定性、周
向稳定性及耐腐蚀性能均与其位移量即疲劳寿命相关。

过低的疲劳寿命将会导致
波纹管稳定性及耐蚀性能下降。

根据以往的试验及使用经验，用于供热工程的波
纹管疲劳寿命应不小于1000次。

3.2膨胀节的可靠性设计
纵观供热工程中使用的波纹管膨胀节的失效形式，除个别资质不全的小厂波
纹管膨胀节易出现制造质量问题外，大多数波纹管的失效是由于腐蚀引起的，且
多为外部环境腐蚀造成的。

因此在进行膨胀节的结构设计时，可考虑隔绝外部腐蚀介质与波纹管的接触。

如对于外压轴向型膨胀节可在出口端环与出口管之间增加填料密封装置，其作用相当于套筒补偿器，既可抵挡外部腐蚀介质的侵入，又给波纹管膨胀节增加了一道安全屏障，即使波纹管破坏，膨胀节还可以起到补偿作用并可避免波纹管失效产生灾难性的后果。

4、膨胀节的正确选型
在工程设计中，经常由于工艺、布置空间等方面的要求而使用膨胀节，由于工艺要求、管线走向、空间限制等诸方面的因素是千变万化的，因而，在膨胀节的选型方面的设计及计算也是很复杂的。

所有复杂的管系都可以通过在不同的部位设置不同的固定支架，将其分成许多个形状相对简单的独立管段，比如“Z”型管段和“∏”型管段等，从而分别确定每一个管段的变形和补偿量。

不同类型的膨胀节有着不同的优点和缺点，因此在管系的总体设计时，应根据管道的走向和管道的支撑方式（固定支架、滑动支架、导向支架等），综合考虑补偿节的配置，正确选择膨胀节的类型，以达到安全、合理、适用、经济的最佳组合。

现场有多少安装空间以及需要将推力降低到多少，决定选何种形式的膨胀节，因此弄清楚哪些力和力矩超出了许用荷载是膨胀节选型的首要任务。

结束语
综上所述，波纹管作为性能可靠、补偿能力强的元件，特别适用于供热管网的热补偿。

通过对个别失效现象的分析，排除偶发事件（如管系试压时发生的膨胀节失效），膨胀节存在的问题主要有两类：波纹管的稳定性及腐蚀。

波纹管的稳定性问题可通过合理的设计波纹管波形参数和疲劳寿命得到解决。

对于比较棘手的腐蚀问题，可以通过两种方式得到解决：
（1）合理的波纹管选材和膨胀节结构设计，割断腐蚀源。

（2）加强小室积水管理，从根本上解决腐蚀问题。

这样不仅波纹管的腐蚀问题可以得到解决，小室中碳钢管路的腐蚀问题也就不存在了。

波纹管膨胀节是当今热力管道中进行柔性补偿的主要部件之一，具有减振降噪，位移补偿的作用，目前在热力管网、石油石化、核电等行业得到广泛应用。

参考文献：
[1]王兆军,聂二磊,谢田桑.膨胀节在GIS中的使用方法[J].电气时
代,2015,09
[2]褚振辉.金属波纹管膨胀节在大型煤化工装置中的应用[J].石油化工建设,2011,03
[3]邢桂香.金属波纹管膨胀节的设计与应用[J].民营科技,2013,08。