外压轴向型补偿器综述及其腐蚀原因及防护措施

外压轴向型补偿器综述及其腐蚀原因及防护措施

许杰周颖艳邹志勇

（中国联合工程有限公司）

摘要：本文分析了外压型波纹管补偿器腐蚀失效的原因及波纹管发生应力腐蚀开裂的影响因素；针对外压型补偿器的结构特点及腐介质的主要来源，从波纹管选材，补偿器的结构改进两方面论述了预防波纹管腐性失效的措施。

关键词：波纹管补偿器；应力腐蚀；失效

1前言

外压轴向型波纹管补偿器具有补偿量大，结构紧凑、稳定性好，维护使用简便等优点，自八十年代中期在城市供热管网中得到了广泛的应用。近年来由于环境腐蚀因素的增加及人们对波纹管各类工作介质、环境介质认识的不足，传统300系不锈钢波纹管腐蚀失效事例偶有发生，其安全使用已越来越多的引起人们的关注。本文分析了外压轴向型波纹管补偿器波纹管发生腐蚀的原因，结合波纹管的腐蚀原因及外压型波纹管补偿器的结构特点，从波纹管材料的选用，补偿器结构形式的设计等方面提出了预防波纹管补偿器腐蚀失效的措施。

2补偿器腐蚀原因

2.1波纹管腐蚀失效形式

外压轴向型波纹管补偿器失效多为波纹管腐蚀泄漏。通过对腐蚀失效波纹管残余碎片的宏观观察、碎片上裂纹及断口的金相分析、电镜分析，裂纹形貌及特征的鉴别，裂纹尖端前沿腐蚀产物、断口表面附着物的成分分析等发现，波纹管一般都发生局部腐蚀，有两种形式:点腐蚀穿孔与应力腐蚀开裂。其中由氯离子引起的波纹管应力腐蚀破裂占所有失效案例的95％以上。

2.2应力腐蚀的影响因素

从应力腐蚀机理分析，影响应力腐蚀的主要因素有:介质含腐蚀性离子浓度的高低；所受应力的大小；介质温度的高低；材料抗应力腐蚀敏感性的强弱等。就外压型波纹管补偿器来说，发生应力腐蚀主要与波纹管接触介质含CL-的浓度高低、介质温度、介质溶氧量的多少、介质pH值的大小及波纹管所受的应力有关。

（1）介质因素

引起波纹管发生应力腐蚀的介质分工作介质及环境介质。工作介质包括输送介质中含CL-、氧的工业淡水、咸水、海水。淡水是指含盐量低于0.05％的介质，海水的含盐量达3～3.5％，咸水含盐量在淡水与海水之间。环境介质包括含CL-、游离氧、SO32-、SO42-的工业淡水、咸水、海水及工业大气等。应力腐蚀常见介质有:

（a）各种氯化物或含氯化物的溶液；

（b）盐水、海水、高温高压水、水蒸汽和海洋性大气；

（c）含CL-或SO42-溶液；

（d）碱性溶液。

（2）应力因素

波纹管焊接、成型的制造特点，使其既有焊接残余应力，又有成型应力。又因为波纹管是一种柔性补偿元件，吸收热位移时不可避免地存在工作应力工作应力随波纹管承受的位移压力的增大而提高，其值远大于波纹管材料的室温屈服强度，因此波纹管发生应力腐蚀的应力条件较一般压力容器受力受压的筒体、接管苛刻。

（3）温度因素

在一定的温度范围内，材料易发生应力腐蚀开裂，一些钢种还存在临界断裂温度值。对于奥氏体钢种发生应力腐蚀的温度范围为50～300℃之间这正是供热管网用外压型波纹管补偿器的介质温度或环境温度。

2.3波纹管发生应力腐蚀开裂的原因

从金属腐蚀学的角度分析，产生应力腐蚀破裂必须存在两个条件:一是存在一定的拉应力，二是存在合适的金属腐蚀介质组合。波纹管既存在一定的加工残余应力，通常又存在比较高的工作应力，作为应力腐蚀的力学条件即存在拉应力是满足的。波纹管发生应力腐蚀的应力因素、温度因素存在，但其并非一定会发生应力腐蚀开裂。在一定的温度、一定的应力条件下，波纹管发生应力腐蚀还需含有一定浓度的腐蚀性介质。理论及工程实践证明:波纹管在高温含高浓度氯离子的溶液中或长期接触含高温含高浓度氯离子的溶液中不必含溶氧就可以引起300系不锈钢波纹管发生应力腐蚀破裂；在含氯离子浓度较低的溶液中，必须先经过点蚀或缝隙腐蚀，造成氯离子浓缩、使pH值降低的条件之后，波纹管才能发生应力腐蚀破裂。为先产生点蚀或缝隙腐蚀需要，液中必须含有溶氧。应力腐蚀案例分析表明:外压型波纹管补偿器的波纹管发生应力腐蚀，其腐蚀介质与波纹管内部输送介质和外部环境条件均有关系，当波纹管内部工作介质符合标准要求时，外部环境介质是造成波纹管失效的主要原因。

波纹管发生应力腐蚀开裂的原因还有:

（a）波纹管材料局部敏化，致使抗蚀性降低。

（b）波纹管材料本身抗应力腐蚀能力较差，对应力腐蚀较为敏感。

3预防补偿器腐蚀的措施

3.1波纹管选材

用于供热管网外压型补偿器波纹管的选材，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，优选出经济可靠的波纹管材料。

（1）波纹管材料选用316L、316。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和我所对北京石电工程波纹管膨胀节剩余寿命评估中都得到了证实。在300系不锈钢中，随着Ni、Mo含量的增加，其耐氯化物应力腐蚀、点蚀的能力增加。相对于304、321，在316、316L中上述元素含量最高，当波纹管工作介质为除氧脱气、水质为中性（pH＝7）的非沿海地区淡水时（如北京热力、郑州热力管网介质）波纹管材料选用316、316L。300系不锈钢波纹管，在其接触介质的表面没有腐蚀性介质的浓缩或富集、纹管材料没有发生敏化的情况下，316、316L是耐蚀的。众多国内热网多年的使用情况证明:316型材料的波纹管是可靠的。国外同类供热管网的波纹管至今仍选用比316耐蚀性低的321材料也可说明。只要加强对地沟积水的管理，消除环境介质在波纹管表面的富集因素，316、316L依然是性能价格比最为优良的材料。

（2）高镍合金。当波纹管所处管道地势较低，雨水或事故性污水不可避免的浸泡波纹管时，应考虑选用耐蚀性更强的材料。根据海军舰船和沿海地区供热管网的使用经验，在接触腐蚀性较强的介质时，波纹管选用高镍合金是最为安全的。

（3）超奥氏体不锈钢。随着现代工业的发展，一些城市空气污染日益加重，空气中含SO2、H2S、NO2、CL2等杂质气体可能吸附到波纹管的表面上，溶于水后形成含CL与SO42-等腐蚀性极强的物质，会对波纹管造成局部腐蚀。在此情况下，用耐蚀性强于316型的超奥氏体不锈钢制作波纹管以提高其使用寿命的呼声在波纹管行业内外日益增高，这些材料包括904L、254SMO、654SMO、25-6Mo及NHB-1、B-315钢等，其共同特点是不仅抗氯离子引起的点蚀、应力腐蚀能力较30系不锈钢强，而且在还原性酸中的耐蚀能力也优越于300系不锈钢。

3.2波纹管补偿器结构设计由于普通外压轴向型波纹管补偿器的结构特点，在一定的条件下，含有腐蚀性元素的环境介质可能从补偿器出口端环与出口管之间的间隙流进波纹管内，加之波纹管管壁有一定的温度，腐蚀性介质会在波纹管表面浓缩或富集，诱发波纹管发生点蚀、应力腐蚀。

（1）增加填料密封装置

在普通外压型波纹管补偿器的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，又给补偿器增加了一道安全屏障，即使波纹管破坏，补偿器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。

（2）波纹管采用复层结构

补偿器结构同普通外压轴向型，波纹管采用复层结构，其中波纹管内层（与大气环境接触）拟采用抗应力腐蚀、点蚀和缝隙腐蚀能力较强的耐蚀合金，其余各层采用300系不锈钢。

（3）采用复层结构＋填料密封装置

波纹管采用方案二的复层结构，并在出口端环和出口管之间增加填料密封装置，起双重保护的作用。

4结束语

（1）外压型波纹管的腐蚀失效主要原因是波纹管发生了氯化物应力腐蚀开裂，发生腐蚀的介质主要来源于外部环境。

（2）通过合理的波纹管选材，改善波纹管补偿器的结构形式，切断波纹管发生应力腐蚀的外部介质来源，可预防波纹管补偿器的腐蚀失效。

参考文献

[1]波纹膨胀节疲劳寿命试验技术[J]管件与设备2001,3：15-18

[2]不锈钢应力腐蚀破裂[M]北京：科学出版社1977.6:8