波纹膨胀节的设计软件研究论文

波纹膨胀节的设计软件研究论文（通用6篇）

篇1：波纹膨胀节的设计软件研究论文

波纹膨胀节是工业管道配管技术必备装置，因其核心元件波纹管采用多层薄壁（0.6～1.2mm）耐蚀合金，又成为管道配管中最薄弱环节。在行业技术标准GB/T12777-2008《金属波纹管膨胀节通用技术条件》中，仅对设计计算、强度校核及产品结构等提出了安全质量要求，而对管路配管系统未做技术要求。而波纹膨胀节的设计恰恰是以管路系统应力转化为支持的，本软件将管道系统应力和管路应力分析与波纹膨胀节应力分析，通过CAESARⅡ《管路系统设计分析软件》、波纹管设计软件和波纹膨胀节材料库、波纹管模具库等有机整合后，完成对波纹管膨胀节的有限元分析和结构设计，科学的实现了对管路系统应力对波纹膨胀节产品的转化。填补了工艺配管技术中波纹膨胀节设计空白。项目实施将工艺管路和管道与配管技术有机转化成一体，从而使波纹膨胀节设计更具有符合性、科学性、可靠性。金属波纹管及翅片式波纹管在内燃机冷却器中的应用，在汽柴油发动机冷却器壳体内或冷却芯子的两管板间安装1~1000根带有间断性凸凹状金属波纹管，采用扩管法、焊接法等方法将其固定在一端管板上，使冷却介质的流动状态发生改变，达到提高传热系数，增加传热效率。该发明构思新奇、工艺实用、成本低廉、性能可靠、传热效率高、不结垢、寿命长、热应力小。实现思路如下：

软件具体实施技术路线

1）该软件以德国CAESARⅡ《管路系统设计分析软件》为基础，针对不同工艺管路和管道的工况进行整体有限元分析，通过CAE－SARⅡ《管路系统设计分析软件》完成管路和管道应力集结点分析，然后对集结点应力转化为波纹管应力和波纹膨胀节结构设计依据。输出分析报表并对错误节点进行提示。

2）该软件通过波纹管设计软件（GB/T12777-2008《金属波纹管膨胀节通用技术条件》）和建立的产品材料库、波纹管模具库，完成波纹管参数化设计。

3）该软件采用INVEN－TOR软件对波纹膨胀节结构进行优化设计，使其生成波纹膨胀节三维空间图型，从而确立波纹膨胀节使用、运行、安装状态。同时，将其转化为机械平面图样和生成产品零部件图样。

4）通过工艺设计软件，将零部件图样，完成工艺路线设计和工艺工步设计。

5）生成生产制造用全部技术文件。

软件的应用

通过该关键研发完成，应用于企业波纹膨胀节产品设计、生产制造与管理、质量控制和追溯性管理。

1）通过CAESARⅡ《管路系统设计分析软件》、波纹管设计软件、材料库软件、模具库软件、INVENTOR软件的整体设计，科学有效的将波纹膨胀节设计与管路及管道系统设计整合一体。特别是IN－VENTOR软件将波纹膨胀节总体设计转化为零部件设计，使其完成了产品标准化设计，大大降低了设计成本，减少了人为不确定因素影响，使膨胀节设计更具有完整性、统一性和通用性。大大推进了企业标准化工作的建设。对企业实现标准化作业、推进生产标准化管理、控制质量成本都具有深远意义。

2）通过波纹管设计软件、材料库软件、模具库软件建立，完成了对材料、模具的规范化管理，能有效控制材料成本和模具维护与管理。

3）通过INVENTOR软件，使波纹膨胀节直接生产产品制造用零部件图样和工艺技术文件。直接转化为生产、检验控制文件。

4）项目实现了技术设计、质量控制、生产制造、应用追溯一体化。

篇2：波纹膨胀节的设计软件研究论文

波纹钢腹板桥梁的腹板优化设计探讨

在波纹钢腹板桥梁的设计过程中,如何确定波纹钢腹板的形状是设计的抗剪性能、经济效益出发,探讨了选择波纹钢腹板形状的`原则,在此基础上提出了选择波纹钢腹板形状的实用方法并建立了相关计算公式,最后总结了选择波纹钢腹板形状的步骤,并通过教例分析说明本文方法有助于进行波纹钢腹板设计.

作 者：苏俭 刘钊 Su Jian Liu Zhao  作者单位：东南大学土木工程学院,江苏南京,210096 刊 名：现代交通技术 英文刊名：MODERN TRANSPORTATION TECHNOLOGY 年，卷(期)： 6(3) 分类号：U443.321 关键词：桥梁   波纹钢腹板   稳定   抗剪性能   优化设计   bridge   corrugated steel web   stability   shear behavior   optimal design  

篇3：膨胀波纹管设计探讨

1材料优选原则

确定了膨胀波纹管材料选择的原则:

(1) 高均匀塑性变形能力, 即均匀变形延伸率≥15~20%。

(2) 加工硬化效果显著, 屈强比低, , 其中表示屈服强度、表示抗拉强度。形变硬化指数n=0.2左右;屈强比是反应钢管延性和强度储备能力的指标。屈强比低, 说明钢材的延性好, 在材料进入塑性阶段后的均匀变形能力强;形变硬化指数n是一个常用的材料性能指标, n值的高低表示材料发生颈缩前均匀变形能力的大小。膨胀波纹管在制管和膨胀变形中, 必须要具备能够产生均匀变形而不破坏的能力, 因而其材料要具有较大的形变硬化指数。

(3) 拉伸曲线无屈服平台 (图1) 或屈服不明显。

(4) 强度高, 且制管加工容易实现。

2实验材料选择

根据以上原则, 在现有的钢管产品中, 选取了Q235、J55、16Mn、YS1、YS2共5种材料进行比较, 钢管材料随着变形量的增大, 抗拉强度增高, 说明存在一定的加工硬化。这些钢管的抗拉强度经变形后有一定程度的下降, 这可能会影响材料的抗挤强度。在延伸率方面, 相比Q235和J55, 其他3种钢管材料经过较大塑性变形后, 材料仍保持较高的延伸率, 仍有较大的塑性储备。

3管材变形前后特性评价

管材变形前后力学性能变化为了对比钢管变形前后力学性能的变化, 采用板状拉伸试样 (图2) 在拉伸试验机上对各种管材进行了拉伸实验测试。

4管材变形前后金相组织分析

利用管材的金相组织分析来观测合金的成分、热处理工艺、冷热加工工艺对金属材料的内部组织、结构的变化影响, 对YS2、Q235、J55等5种管材进行检验, 提供调整工序及修改工艺参数的根据。

(1) YS2管材。

YS2管材存在明显的珠光体和铁素体带状组织, 金属材料在冶炼浇注后绝大部分要经过压力加工方可成为型材。但是, 加工后的材料容易得到沿着变形方向珠光体和铁素体呈带状分布的组织, 即形成带状组织。带状组织的危害:带状组织的存在会使金属的力学性能呈各向异性, 沿带状组织的方向明显优于其垂直方向。形成带状组织的原因各不相同, 归纳起来大致有2种原因: (1) 由成分偏析引起的带状组织。即当钢中含有磷等有害杂质, 在压延时杂质将沿着压延方向伸长。当钢材冷至Ar3以下时, 这些杂质就成为铁素体的核心使铁素体形态呈带状分布, 随后珠光体也呈带状分布。这种带状组织很难用热处理的方法加以消除; (2) 由热加工温度不当引起的带状组织, 即热加工停锻温度于二相区时 (Ar1和Ar3之间) , 铁素体沿着金属流动方向从奥氏体中呈带状析出, 尚未分解的奥氏体被割成带状, 当冷却到Ar1时, 带状奥氏体转化为带状珠光体, 这种组织可以通过正火或退火的方法加以消除。

(2) Q235钢管材。

Q235钢的组织主要为等轴的铁素体加少量的珠光体, 在不同温度下进行热处理的组织有所不同, 900℃下铁素体的含量相对较高, 这是因为较低的温度, 可提高形变能和促使奥氏体的不稳定性加剧。高温下, 一方面形变能累积效果减弱, 另一方面很难发生奥氏体向铁素体转变, 但不排除奥氏体的动态再结晶。两种温度下, 尽管金相组织看起来差别不大, 但应该注意的是, 较低的温度, 在冷却时可以使铁素体晶界处的马氏体和残余奥氏体组织将转变成稳定的索氏体或屈氏体等组织, 这样拉伸过程中形变的协调性显著得到改善, 致使室温力学性能提高。

(3) J55钢管材。

J55钢显微组织为均匀细小的铁素体加珠光体和少量贝氏体, 没有出现混晶现象, 铁素体平均晶粒度10.5~11.5级。J55钢在高温变形后出现了明显的带状组织, 这主要是由钢中的Mn、P造成的。Mn、P是易偏析元素, 在热轧钢中极易在板厚中心偏析, 生成低温转换硬显微组织带, 带状组织会导致材料的性能下降, 如有氢原子存在的环境, 会使氢原子在珠光体偏析带上聚集, 结合成氢分子, 并与此处高密度的位错发生交互作用, 促进氢致裂纹在珠光体偏析带上的萌生和扩展。由于该钢塑性储备降低, 故在膨胀变形后, 其抗挤压强度会下降。

(4) 16Mn钢管材。

16Mn钢经余热热处理的试样外表面有回火索氏体组织, 是由表面快冷得到马氏体后, 试样内部的热量传递到外表面对其回火所致。其范围为1.2~1.5mm。其心部组织为珠光体+铁素体, 与热轧态的金相组织相比, 晶粒较细小。回火后钢内部的强度下降, 塑性有很大改善。在回火过程中, 马氏体分解, 使马氏体中碳的固溶强化作用减弱, 显微硬度下降。铁素体在回火时, 过饱和的碳将重新分布, 以渗碳体的形式析出并不断长大;同时铁素体中的淬火空位也不断合并长大, 从而减弱固溶强化和沉淀强化效果, 使铁素体的显微硬度值下降, 此外在马氏体转播时被形变硬化的铁素体回火过程得到恢复也使其显微硬度下降。马氏体在变形回火过程中变弱, 使马氏体与铁素体的变形协调性增大, 铁素体首先变形穿过F/M相界传到马氏体中去, 减轻了相界处的位错塞积, 直到两相都达到较大的变形后才颈缩, 因而有助于提高延伸率。

(5) YS1钢管材。

YS1钢的金相组织是铁素体和珠光体。其中的珠光体是由呈薄片状的铁素体和渗碳体交互排列, 从而具有良好的力学性能。变形后, 珠光体出现了一定的球化, 珠光体内呈片状、表面积较大并处于高能量状态的碳化物在常温下是稳定的。但在高温、应力长期作用下, 原子扩散速度加快, 具有高能量的片状碳化物自行向低能量的球状碳化物转变并进一步聚集长大。所以球化是金属在长期高温作用下的一种组织变化的必然过程。这种组织有利于产生较大塑性变形, 所以, 此种钢塑性储备较大, 利于进行膨胀变形。

通过膨胀波纹管的选材研究, 从现有7 684钢管产品中, 选取了Q235、J55、16Mn、YS1、YS2等5种钢管作为膨胀变形试验材料, 进行了拉伸变形试验和材料膨胀前后的金相组织分析表明, 它们均存在带状组织, 这会增大材料的各向异性效应。根据上述分析研究, 综合考虑膨胀波纹管的强度要求, 选取YS2、16Mn、YS1钢管材作为研究的初选管材。

参考文献

[1]张彦平, 田军, 赵志强, 等.波纹管堵漏技术在吐哈油田L7-71井的应用[J].石油钻采工艺, 2005, 27 (1) .

[2]唐登峰.SEP-1水泥膨胀剂在长封固段固井中的研究与应用[J].石油钻采工艺, 1995, 17 (6) :38-42, 48.

[3]王治平, 卓云, 廖富国, 等.波纹管堵漏技术在黄龙004-X1井的应用[J].天然气工业, 2008, 28 (5) :67-68.

[4]李福德, 曾毅.川东地区固井技术[J].天然气工业, 2003, 23 (1) :47-49

篇4：波纹膨胀节的设计软件研究论文

由于工程管道布置条件多样、金属波纹管膨胀节种类和应用方法多样, 若对金属波纹管膨胀节的特性与管线布置条件的结合未做充分、成熟的考虑, 则会造成安全隐患。根据以往工程经验教训, 应至少考虑如下几个因素。

1 管道内压推力

为避免高压管道巨大的内压推力作用于管道支架及土建结构上, 应优先选用自身可承受管道内压推力的膨胀节。

以某电厂启动汽源管道改造工程为例。该管道规格是DN250, 设计压力1.65MPa, 设计温度350℃。

由于需在厂区内长距离直线布置, 则要使用金属波纹管膨胀节。若使用自身不能承受管道内压推力的膨胀节, 则各个最靠近管道盲端的固定支架在设计工况时需要承受的管道水平推力约是8.26吨力, 而该规格管道的各标准固定支架均远无法承受如此大的水平力, 更不用说为承受该水平力所需付出的超过常规情况多倍的土建费用。

故该工程采用了直管压力平衡型金属波纹管膨胀节, 该类型膨胀节可轴向补偿管道热胀, 并自身承受全部的管道介质内压推力。因此在使用该型膨胀节后, 膨胀节只向管道上的相关支架作用其波纹管的轴向变形力, 而这种轴向变形力相对较小, 工程中较易处理。

经现场反馈, 上述管道系统多年来运行正常。相反, 若设计中未考虑上述管道内压推力, 则可能造成管道固定支架的管部或其土建结构毁坏, 导致管道系统崩溃。根据相关事故现场的资料, 这种毁坏后果是惊人的。

2 金属波纹管弹性力

由于上述高温高压管道轴向膨胀节弹性刚度在管道轴向变形量较大时, 会大量累积弹性水平推力, 造成膨胀节两侧固定支架较难承受。为显著减小作用于管道固定支架上的这种水平推力, 对于长距离直线布置管道, 还可适当设置如“Z”“L”“П”型, 并在这些管道拐弯部位上, 设置横向膨胀节组合单元, 以此形式来吸收长距离直线管道的轴向热胀。

这种横向膨胀节组合单元, 每个单元由三个角向补偿单元组成 (组合方式有两种: (1) 一个复式拉杆型膨胀节+一个铰链型角式膨胀节; (2) 三个铰链型角式膨胀节) 。由于这种补偿方式主要是利用角向补偿单元与角边长的乘积来放大横向膨胀节组合单元的补偿能力, 所以其补偿能力非常大, 并且产生的弹性变形力较轴向膨胀节小很多, 管道固定支架可轻松承受这种弹性变形产生的水平推力。而且其布置方式灵活多变, 膨胀节自身均可承受全部的管道介质内压推力。

这种横向膨胀节组合单元在工程应用中适用面很广, 现场使用效果很好。

3 膨胀节所受外压力

为防止管道非工作态时的自重及特殊工况 (如管道抽真空) 对膨胀节的轴向挤压效应, 而可能使膨胀节损坏, 所以在设置横向补偿组合单元时, 应优先选用铰链型膨胀节。当必须选用拉杆型膨胀节时, 应要求制造商采取措施 (如在膨胀节两端板内侧拉杆上的合适位置设置止推螺母) , 使其能安全抵抗上述管道自重及个别工况 (如管道抽真空) 对膨胀节的轴向挤压力。

(1) 当上述横向补偿单元中的复式拉杆型膨胀节布置在立管时, 由于复式拉杆型膨胀节上端连接的管道有自重, 该重量会在管道不工作无内压时, 轴向挤压复式拉杆型膨胀节, 而该型膨胀节两侧端板内侧一般无紧固螺栓, 所以此时该型膨胀节的波纹会受到挤压, 而这种挤压容易超过波纹管的允许限度, 且并不是该膨胀节的设计变形方式, 故容易损坏波纹管。 (2) 当有复式拉杆型膨胀节与汽轮机直接相连时, 若汽轮机冷凝器在机组启动前抽真空, 该复式拉杆型膨胀节会因与冷凝器连通而受到大气的轴向挤压, 这种挤压力很大, 也容易如上述第1条损坏膨胀节。

所以, 在上述两种工况下的复式拉杆型膨胀节订货时, 应要求其在两侧端板内侧的拉杆上的合适位置, 设置限位螺栓。在设置此限位螺栓后, 上述挤压力会转移到膨胀节的拉杆上, 由于杆状物抗拉但不易抗压, 所以还应向供货商提出相应的抗压要求, 以保证拉杆粗细合适。

4 安装预变形

为充分利用各膨胀节的补偿能力, 可对一个补偿单元在安装时做反向预变形热胀量的50%。这样无论对于何种膨胀节设置方式, 都有利于减少工作状态时管道及管道支架受力, 有利于管道安全稳定运行。

5 管道支架摩擦力

设置膨胀节的管道中会有分割管道膨胀区段的固定支架, 在布置水平管道时, 应将这种固定支架两侧直接相连的刚性管道总重尽量设置相等。因为管道支架会有摩擦力, 当管道工作受热变形时, 管道的各滑动支架会滑动, 这时滑动摩擦力会反向作用于相应的固定支架。若该固定支架两侧的刚性管道总重相差较大, 会对该固定支架产生较大的水平摩擦反向推力, 这种推力也容易很大, 而损坏该固定支架。

根据工程经验, 上述情况下, 该水平摩擦反向推力可取: (固定支架单侧直接相连的刚性管道多侧总重-固定支架单侧直接相连的刚性管道少侧总重×70%) ×管道滑动支架摩擦系数。

综上所述, 在设计含有金属波纹管膨胀节的管道时, 需要充分考虑至少上述五种因素对管道布置及膨胀节的影响, 以避免安全隐患, 保证整个管道系统安全稳定运行。

参考文献

[1]中华人民共和国国家标准[S].金属波纹管膨胀节通用技术条件.2008.

篇5：波纹膨胀节的设计软件研究论文

管线的热补偿方式主要为自然补偿或选用适当型式的补偿器。此次讨论的大口径薄壁管线由于设备布置紧凑, 靠更改管道走向或使用填料函式补偿器都无法满足要求。选用波纹管膨胀节成为补偿管道热位移的最佳方案。

1 波纹管膨胀节的种类

波纹管膨胀节可从材质上分为金属波纹管膨胀节和非金属波纹管膨胀节。型式上可分为单式轴向型膨胀节、单式铰链型膨胀节、单式万向铰链型膨胀节、复式自由型膨胀节、复式拉杆型膨胀节、复式铰链型膨胀节、复式万向铰链型膨胀节、弯管压力平衡型膨胀节、直管压力平衡型膨胀节、旁通直管压力平衡型膨胀节、外压轴向型膨胀节。

2 波纹管膨胀节中单波吸收热位移能力是相同的

虽然理论上增加波的个数可大幅提高波纹管膨胀节的吸收能力, 但波的个数增加容易产生失稳, 这种方式并不可行。吸收横向位移量较大的位置应考虑选择复式自由型膨胀节, 其总长度可与单式轴向型波纹管相同, 只需增加两波间直管段长度即可大幅提高横向补偿量。

波纹管通变形来吸收管道的热位移, 刚度必然很小, 系统加压时波纹管不能承受管道的纵向应力, 根据GB/T12777可知波纹管产生压力推力的大小。由单式轴向型与复式自由型膨胀节的结构可知, 轴向止推架上的水平推力为管道摩擦力, 膨胀节压力推力与膨胀节弹性力的和。由于拉杆型膨胀节压力推力会由拉杆吸收, 铰链型膨胀节压力推力会由铰链吸收, 故作用在轴向止推架上的水平推力只为管道摩擦力与膨胀节弹性力的和。经笔者计算DN1200波纹管的释放的压力推力为23KN, 吸收100mm轴向热位移产生的弹性力为33KN, 这种附加力无疑是巨大的。故在使用波纹管膨胀节时一定要注意水平推力对结构专业的影响, 保证膨胀节在使用中的可行性。

3 膨胀节的设置

(1) 在膨胀节设置上笔者从工艺流程入手, 高温烟气管道经废热锅炉到冷却器的温度保持在450℃左右;冷却器到烟筒之间的管道从280℃递减到100℃, 且烟气中腐蚀性组分已经极低。综合考虑安全与经济要素, 冷却器前烟气管线选用金属膨胀节, 冷却器后的烟气管线选用非金属膨胀节。

(2) 在型式的选择上, 笔者原则上选用单式轴向型膨胀节。此膨胀节轴向吸收能力很强横向吸收能力较弱, 在直管道上设置最为合适。单式轴向型膨胀节在L型管路中设置会吸收一定量的横向位移, 由此产生的横向弹性力较大, 应注意设备口受力是否超标且压力推力会使距离最近的弯头一次应力增加, 必要时可增设弯管支托吸收压力推力保证装置运行安全。Z型管路中可在管路中间位置设置止推支架将管路分割为两个L型管路进行考虑。

(3) 举例说明下面, 结合实际, 对项目中一处有代表性的空间Z型管道的补偿方式进行说明。管线为DN1500的烟气管, 温度高达460℃, 直线展开长度11.6米。第一种方案为顺介质流向使用弯管压力平衡型膨胀节, 经过笔者模拟计算其结果能够较好的吸收管道在各个方向上产生的位移, 且管口受力符合设备要求。但此类型的膨胀节运行过程中会在盲端沉积粉尘, 遭到工艺专业的否定。第二种方案是选用三个单式万向铰链型膨胀节配合使用, 此方案经模拟可以吸收管道热位移, 但由于三个补偿器重量较大, 重量全部加载到管口上, 导致设备管口校核无法通过。由于设备管口向上热胀量在150mm左右, 附近无可用构架可以在高度和载荷上满足恒力弹簧支撑要求, 这种方案也被否定。已没有标准型式的膨胀节可以满足要求, 故与膨胀节厂家协调设计非标波纹管膨胀节来解决问题。第三种方案见图。

第三种方案精妙的把将弯头与X向管道包含在膨胀节中, 管道X向位移都由膨胀节内部吸收。由于将弯头包含在膨胀节中, 故膨胀节在完全吸收R-104向上热位移和入口管道轴向热位移的同时能够满足R-104设备管口受力要求。由于R-103固定端支耳在设备左侧与膨胀节入口端焊缝在X方向距离相近, 可认为设备与弯头同时向X方向热胀。故膨胀节只需吸收R-103向上的热位移就能够满足R-103管口受力要求。膨胀节的拉杆可以吸收膨胀节的压力推力;并且两波纹管距离较大, 横向刚度很小, 使用中并不会产生较大的横向弹性力;由膨胀节附加结构重量不高, 并不需要做结构支架, 此方案满足要求。

4 结语

由于管道布置千变万化, 膨胀节选用不仅要考虑管道热位移的吸收结构支架的设置, 还应考虑在不同操作工况检修状态下都能够满足要求。

参考文献

[1]GB50316-2008工业金属管道设计规范[S].

[2]SH/T3059-2012石油化工管道设计器材选用规范[S].

篇6：波纹膨胀节的设计软件研究论文

膨胀节用来补偿管道由于热胀冷缩而引起的伸缩或拉伸的长度,能吸收机械变形和各种机械振动,起到延长管道寿命的作用。金属波纹管膨胀节作为现代热补偿技术中的一种主要部件,由于其寿命长、补偿量大、免于维护的特点而在国民经济的各个领域得到了广泛应用[1]。Incoloy 800属于铁镍基耐蚀合金(国内牌号NS 111),在氯化物水溶液、低浓度NaOH溶液和高温高压水中具有良好的耐应力腐蚀性能[2],已大量应用于高温炉管(上、下集气管)、换热器和蒸发器等化工设备上。随着其使用范围的不断扩大,所面临的环境越来越恶劣,常常出现失效开裂等问题。

某石化公司使用Incoloy 800波纹管的工作介质为水蒸气、乙苯、苯乙烯、甲苯、二氧化碳以及催化剂,技术参数为:设计温度649 ℃,操作温度578 ℃;设计压力170 kPa/真空(内压/外压),操作压力-47.5～-50.0 kPa;波纹管壁厚12.5 mm;公称直径50mm;轴向压缩量89 mm,轴向拉伸量3 mm;横向位移176 mm。该波纹管于2008年1月安装,2009年发现设备大量漏气,检测发现波纹管上有很多裂纹。本工作对其开裂原因进行了分析。

1 检测方法

将开裂的Incoloy 800波纹管膨胀节线切割取样,宏观观察断口表面,用X射线荧光光谱仪分析其元素含量;用金相显微镜研究微观组织;用WDW电子万能力学试验机研究力学性能;用SEM观察断面微观形貌,用EDS能谱分析断面成分。

2 结果分析

2.1 宏观形貌

宏观观察发现,开裂失效的Incoloy 800波纹管表面有较多的横向裂及和少量与横向呈一定角度的斜裂纹,裂纹大量分布于波纹管波谷外表面,并向其内表面和纵向发展。裂纹分布很广,具有多源性,且断口塑性特征明显(因存在大量塑性变形和韧性撕裂痕迹,可排除疲劳断裂)。另外,波纹管内、外表面平整光滑、腐蚀程度轻微,断口表面光亮且无腐蚀产物存在,同时考虑到其具有优良的抗应力腐蚀性能,可排除应力腐蚀开裂的可能性。

2.2 成 分

开裂波纹管的X射线荧光光谱分析结果见表1,可见其组成完全符合标准。

2.3 微观组织和显微硬度

开裂失效波纹管的微观组织形貌见图1。从图1可以看出,波纹管材料微观组织基本由单相奥氏体晶粒和极少量碳化物组成,晶粒度较粗大(约4级),晶内有大量孪晶出现,由于孪晶是奥氏体的主要塑性变形方式[3],表明该波纹管承受的工作应力较大,并已发生微量塑性变形。

开裂失效波纹管微观裂纹的局部金相形貌见图2。从图2可以看出,裂纹为穿晶型裂纹,除了主裂纹外,还有少量二次裂纹存在,二次裂纹数量很少且发展程度十分有限。据此可以排除发生晶间腐蚀破裂的可能性。从波纹管波谷外表面周向主裂纹基本垂直于表面向内部发展这一特征来看,该波纹管的开裂很可能与波纹管承受很大的轴向拉应力有关。测试结果表明,波纹管平均显微硬度仅为约224 HV,硬度值较低。

2.4 断口形貌和附着物成分

波纹管断口表面的微观形貌见图3,断口表面清晰可见韧性撕裂痕迹(撕裂棱)和韧窝分布,属于典型的韧性断裂断口[3]。

断口EDS能谱分析谱线见图4,断口成分中未见工况介质元素出现,表明该波纹管断裂与腐蚀无关,是由纯力学因素造成。

3 波纹管失效原因

和普通的压力容器相比,波纹管的工作状况更恶劣一些:除了要承受工作温度、压力、介质方面的作用,还要产生很大的变形,通过变形来提供管道补偿所需要的位移,位移引起的波纹管高的轴向应力和弯曲应力导致裂纹以横向裂纹为主,并兼有与横向裂纹呈一定角度的斜裂纹;在很多情况下,还受机械振动以及管道内介质流动时所诱发的振动作用;管道、介质、保温材料的自重作用引起波纹管的弯矩,所以使波纹管在工作时的应力状态十分复杂。

波纹管受力最大的是轴向应力。当波纹管在静止状态下时,只受轴向拉应力,波谷处的正应力大于波峰处的正应力,因而裂纹多起源于波谷处,又因为波纹管波谷处应力状态复杂,所以裂纹具有多源性。

4 建 议

(1)Incoloy 800波纹管断口属于韧性断口,与疲劳和腐蚀无关,可能与高轴向拉应力条件下的材料失稳破裂有关,提高波纹管材料的强度可以有效避免早期开裂失效的发生。

(2)为了避免其缺陷,可以采用Incoloy 800H制造波纹管,它比Incoloy 800合金含碳量高,强度优于Incoloy 800。

参考文献

[1]康学勤,孙智,李晓伋.低频率下波纹管膨胀节腐蚀疲劳行为模拟[J].压力容器,2008,25(9):1～3.

[2]黄建中,左禹.材料的耐蚀性和腐蚀数据[M].北京:化学工业出版社,2003:273.