1、金 属 波 纹 管 膨 胀 节 在 燃 气 管 网 中 应 用 与 事 故 预 防盛水平 1，王杏芳 2，刘延雷 1，陈海云 1，严毅剑 2（1 杭州市特种设备检测院，浙江 杭州，310003；2 杭州市燃气(集团)有限公司，浙江 杭州，310007；）摘 要：金属波纹管膨胀节是城市燃气管网的重要组成构件，它的安全稳定是城市燃气安全运行必不可少的条件之一。本文对金属波纹管膨胀节在燃气管网运行中的应用进行了介绍，对 膨胀节事故进行了统计与失效原因分析， 并开展了相关的试验研究。针对失效原因，对 在管网建设中如何选用、安装膨胀节以及随后的运行过程中如何维护管理提出了建议。关键词：燃气管网；金属波纹
2、管膨胀节；失效分析；选用；维护中图分类号：X924.4 文献标识码：A 文章编号：Application and failure prevention analysis on metal bellows expansion joints in gas grids SHENG Shui-ping1, WANG Xing-fang2, LIU Yan-lei1, CHEN Hai-yun1, YAN Yi-jian2(1.Hangzhou Special Equipment Inspection Institute, Hangzhou, 310003, China; 2. Hangzhou Gas
3、 (Group) Company Limited, Hangzhou, 310007, China)Abstract: Metal bellows expansion joints are one of the most important components of urban fuel gas nets. And their safety is essential to the safe operation of urban fuel gas nets. In this article, the application of metal bellows expansion joints i
4、n gas grids was introduced. And the failure analysis and experiment on metal bellows expansion was carried out. Also, the mode selection and installation were put forward. Furthermore, the maintenance methods in their operation process were suggested.Key words: gas grids; metal bellows expansion joi
5、nts; failure analysis; mode selection; maintenance1 前 言金属波纹管膨胀节是由金属波纹管和构件组成的具有补偿功能的器件，又名补偿器。由于它的结构特点，与具有相同补偿能力的“”型膨胀节、套筒式膨胀节、球型膨胀节相比，具有占地小、安装简单、工程造价低、无结构性渗漏环节、不需维修保养等优点。作为管道补偿器，它能够补偿管道的热变形、机械变形和吸收各种机械振动，起到降低管道变形应力和提高管道使用寿命的作用 1。因而多用于动力或热力管网中，设备与设备之间的连接中，以轴向伸缩或角度变化来补偿管路系统或设备因温差或机械运动造成的位移，消除设备开车、停车或正常
6、运行条件下的振动。金属波纹管膨胀节作为现代热补偿技术已广泛应用于电力、石化、供热、钢铁、城建等领域。当今世界，城市燃料燃气化，城市燃气管道化是城市现代化的重要标志之一，我国大多数大中城市相继建立了管道燃气设施。但由于材质老化、违章操作、外界干扰、输送介质变换和设备破坏等原基金项目：杭州市社会发展科研攻关项目（2009113B22）因造成泄漏事故频发,甚至导致火灾、爆炸,严重危及公共安全 2。为降低泄漏事故所造成的损失，确保城市燃气管网安全运行，必须切断管线阀门；但由于阀门质量问题，往往造成阀门关不死，则必须采取抽插盲板的措施。城市燃气中压管网通常埋地敷设，抽插盲板并非易事，为此管线上设计了普通
7、轴向型的金属波纹管膨胀节，它与阀门一起安装在阀门井内，自 2000 年以来大量应用。在城市燃气管网中金属波纹管膨胀节主要运用于桥管和阀门井，除了通常所说的管线热补偿、基础沉降机械补偿作用外，其主要作用是为了抽插盲板、更换阀门，便于管道上某些设备的安装与维修管理。2 事故统计与分析2.1 事故统计近年来杭州市燃气管网中阀门井内金属波纹管膨胀节发生爆裂、漏气，如图 1 所示，严重的将阀门井盖冲开。本是为了管网安全运行而设计的金属波纹管膨胀节，现在却成了城市燃气管网的薄弱环节和安全隐患。表 1 为近几年对杭州管网膨胀节失效的统计，一般膨胀节投用 23 年后出现裂纹，而且开裂形式均为波峰环向破裂，外形
8、看波纹管没有很大的变形。本文针对这几起爆裂、漏气事故，进行了试验研究和失效分析，然后提出燃气管网金属波纹管膨胀节事故预防。图 1 失效的波纹管膨胀节表 1 近几年杭州管网膨胀节失效统计序号 失效时间 失效地点 规格 失效形式 工作压力1 07-1-23 北大桥北侧 529 开裂 0.10.38Mpa2 07-3-1 董家路机场路岔口 219 开裂 0.10.38Mpa3 07-5-30 郑家塘路西园九路岔口 219 开裂 0.10.38Mpa4 08-2-20 丰潭路萍水路岔口 219 开裂 0.10.38Mpa5 08-2-19 范家公寓 4 幢西侧 219 开裂 0.10.38Mpa6 0
9、8-3-5 文三路黄姑山路岔口 219 开裂 0.10.38Mpa7 08-3-10 文一西路绕城公路岔口 425 开裂 0.10.38Mpa8 08-3-19 郑家塘路西园七路岔口 219 开裂 0.10.38Mpa9 08-3-20 德胜路上塘路岔口北 100 米 219 开裂 0.10.38Mpa10 08-5-12 南泉路（方家北路申花路) 100 开裂 0.10.38Mpa11 09-4-17 西园路西园二路岔口 219 开裂 0.10.38Mpa12 09-10-5 辰秀嘉园 17 幢 168 开裂 0.10.38Mpa13 09-10-19 康桥路康园路岔口 325 开裂 0.1
10、0.38Mpa2.2 原因分析以 2008 年 5 月 12 日发生在杭州南泉路的某管道中部阀门井中 DN100 波纹管膨胀节失效破坏导致天然气大量泄漏为例进行分析。基本情况为：膨胀节表面沉积灰白色垢，波纹膨胀节中部波谷径向开裂 95mm，开裂两端可见轴向撕裂达 58mm；开裂处与膨胀节坯焊纵缝无关，断口无肉眼可见机械损伤缺陷，断口处波纹亦未见明显变形，断口母材无肉眼可见缺陷，断口处亦无肉眼可见明显塑性变形特征，断口呈铅灰色。闸阀端面至管法兰端面距离为 310mm，阀门井中闸阀法兰端面中心与波纹膨胀节所接管法兰端面中心偏差为 10mm，该膨胀节按 120均布拉杆三根，弯曲变形明显。该处天然气中
11、压管系目前运行压力小于 0.08MPa，故破坏与管道内压力无直接关系；工作状态为无明显热应力状态，与通常波纹管膨胀节的补偿状态不同；膨胀节两端部偏差明显，拉杆变形和开裂形状可见角相位移量较大且原始长度为 280mm，而现场达 310mn。初步判断安装过程中存在强行组装或系土质沉降所致；阀门井中的积水和膨胀节表面沉积物存在较多的对奥氏体不锈钢有晶间腐蚀和应力腐蚀的氯离子。3 试验研究3.1 性能试验对三只 PN1.0MPa,DN150 金属波纹管膨胀节，按试验标准：GB/T12777-1999金属波纹管膨胀节通用技术条件进行 1.5MPa 水压试验 ，波距变化小于 15%；1.0MPa 气密性试
12、验，保压 10min，无泄漏；无损检测：PT，RT 合格；波纹管材质为 SUS304，质量证明书中化学成分见表 2；按设计压力 1.0MPa、设计寿命 1000 次，以补偿量10mm、20 次/min 速率进行疲劳加载试验，三只金属波纹管膨胀节循环次数分别在 1789、1565 和 1540 次停止试验，试验后金属波纹管膨胀节无穿透裂纹，无泄漏，产品符合 GB/T12777-1999金属波纹管膨胀节通用技术条件的要求。 表 2 膨胀节材质的化学成分元素 C Mn Ni Cr P S含量（） 0.043 1.09 8.10 18.27 0.032 0.0033.2 环境介质化验应力腐蚀失效不同于
13、腐蚀疲劳失效，只有当承受拉应力，并在特定的介质条件下才会发生。一般说来，只有当应力超过某一临界应力值时，才会发生应力腐蚀开裂。在这里讲的特定的介质条件是指对一定的金属材料而言，需要有一定特效作用的离子、分子或络合物才会导致应力腐蚀开裂。它们的浓度有时甚至很低，也会引起应力腐蚀开裂，如仅含有几个 PPM 的氯离子，也可使 SUS304不锈钢发生应力腐蚀开裂。推测以上统计的波纹管开裂应为内应力较大的波纹管在 Cl、S 元素丰富的环境下发生了应力腐蚀最终导致的开裂。杭州属于雨水较多南方城市，为此，对金属波纹管膨胀节发生泄漏事故不同的阀门井，取样分析如表 3 所示，水质化验结果表明，阀门井内氯离子含量
14、 1437ppm，大部分超过 25ppm，具备了应力腐蚀失效的条件，即造成波纹管应力腐蚀开裂的介质是波纹管所处环境中(井室水)的氯化物。表 3 水质化验结果序号 取样时间 取样地点 氯离子/ppm1 2010.1.12 横基 28.52 2010.1.12 绍兴路 143 2010.1.12 康桥路 374 2010.1.12 上塘路 295 2010.1.12 辰绣家园 266 2010.1.12 三坝雅院 317 2010.2.26 滨江燃气公司事故井 398 2010.2.26 滨江燃气公司事故相邻井 224 事故预防针对以上事故与分析，通过合理的选材和加工，正确的安装和维护，降低波纹管
15、成形残余应力和安装附加应力，可以预防膨胀节事故的产生。4.1 合理的选材和加工奥氏体 Cr-Ni 不锈钢被广泛用作耐蚀材料，但由于局部腐蚀引起材料过旱失效。尤其是经过冷加工后，由于形变诱发部分奥氏体转变成马氏体，使奥氏体不锈钢在含氯离子介质中，极易发生孔蚀，并且常以微孔蚀坑或微条纹的起源和扩展导致应力腐蚀破裂，国内外曾报道一些奥氏体不锈钢在酸性含氯离子介质中由于活化腐蚀而引起严重应力腐蚀损伤事故 3。文 4研究了冷加工与马氏体相变的关系，结果表明冷加工能产生不同程度的马氏体相变，在腐蚀过程中马氏体相存在优先溶解。文 5对 304 L 和 316L 两种奥氏体不锈钢材料进行了一系列的拉伸试验，研
16、究不同的形变量与形变马氏体量之间的关系，用铁素体测量仪测试马氏体的含量，结果显示，304L 不锈钢变形量增加，马氏体形成的数量和硬度均增加；316L 是稳定奥氏体组织，形成的马氏体量很少。南京工业大学对固溶处理前后不锈钢波纹管残余应力以及的研究固溶处理及不同冷加工方式对 0Cr 18N i9 不锈钢波纹管抗应力腐蚀性能的影响进行研究 6，7 ，研究表明：残余应力的主应力方向，与波纹管的轴线方向基本一致(偏差士 15)，这导致了波纹管应力腐蚀沿周向开裂。固溶处理对改善波纹管的抗应力腐蚀性能是有益的，但固溶处理后的波纹管其残余应力并未消除，而最大主应力改变了方向。因此对于有含量较高的卤族元素使用环
17、境中宜选用 316L，必要时不锈钢波纹管成形后进行固溶处理。另外，通过与恶劣环境隔离如材料表面采用敷涂高分子材料等技术延迟或消除应力腐蚀的发生。4.2 正确的安装和维护安装是一个非常重要的环节，错误的安装将导致膨胀节因变形过大、安装附加应力过大而提早失效。安装必须执行 CJJ33-2005城镇燃气输配工程施工及验收规范：1) 安装前应按设计规定的补偿量在生产厂内进行预拉伸(压缩)，受力应均匀；2) 膨胀节应与管道保持同轴，不得偏斜。安装时不得用补偿器的变形(轴向、径向、扭转等)来调整管位的安装误差；3) 安装时应设临时约束装置，待管道安装固定后再拆除临时约束装置，并解除限位装置 8。工程交付使
18、用后，道路开挖、沉降、改道等因素均影响着管网的运行，阀门井除每天有人巡逻之外，应定期(如半个月)打开井盖，仔细观察膨胀节有无异常之处。突然爆裂，大量的天然气将会迅速的扩散到空气当中，如果遇到明火，将会产生闪爆，产生的后果将是极其严重的，为此应按城镇燃气管网抢修和维护技术规程 9制定相关应急处置方案。5 结 论金属波纹管膨胀节是城市燃气管网中的重要组成构件，主要作用为便于抽插盲板、更换阀门以及某些设备的安装与维修管理，它的安全稳定关系到城市燃气的安全运行。本文针对几起膨胀节失效事故，对其进行了失效原因分析，并开展了相关的试验研究，包括性能试验和环境水质化验等，认为应力腐蚀是波纹管膨胀节的主要失效
19、原因。针对失效原因，对在管网建设中如何选用、安装膨胀节以及随后的运行过程中如何维护管理提出了建议，相关研究结论可以为膨胀节的使用与维护提供参考。参考文献1 GB/T12777-1999，金属波纹管膨胀节通用技术条件s.2 车立新. 城市燃气管网安全运行问题及对策J,煤气与热力,2009,29(10):30-33.3 徐 瑞 芬 ,许 淳 淳 ,欧 阳 维 真 .奥 氏 体 不 锈 钢 的 马 氏 体 相 变 对 耐 蚀 性 的 影 响 J,北 京 化 工 大 学 学 报 ,1998,25(2):57-63.4 许淳淳,胡钢.不锈钢冷加工形变诱发马氏体相变及其腐蚀行为J,材料保护,2002,35
20、(3):15-17.5 顾雪东,关凯书,王志文等.奥氏体不锈钢冷加工与形变马氏体及耐应力腐蚀的关系C, 第六届全国压力容器学术会议压力容器先进技术精选集,2005:121-125.6 王勤生,李永生,周勇军等.固溶处理前后不锈钢波纹管残余应力的研究J,压力容器,2003,20(10):17-21.7 王勤生,李永生,胡毅等.固溶处理及不同冷加工方式对 0Cr18Ni9 不锈钢波纹管抗应力腐蚀性能的影响J,压力容器,2004,21(3):11-15.8 CJJ33-2005,城镇燃气输配工程施工及验收规范s.9 CJJ51-2006,城镇燃气管网抢修和维护技术规程s.作者简介：盛水平，男，高级工程师，主要从事锅炉、压力容器及压力管道检验、失效分析及科技研发工作。地址：杭州市中山北路 351 号，310003；电话/传真：0571-85101012；E-mail:
