補償器的失效類型及原因分析

一、失效類型

　　補償器的失效在管線試壓和運行期間均有發(fā)生。管線試壓時出現(xiàn)問題主要有三種類型：由于管系臨時支撐不當，或管系固定支架設置不合理，導致支架破壞，補償器過量變形而失效；由于補償器設計所考慮的壓力或位移安全富裕度不夠，管線試壓時補償器產生失穩(wěn)變形失效；補償器制造質量問題，制造廠偷工減料，5層不銹鋼私自改為3層或更少。

　　補償器在運行期間的失效主要表現(xiàn)為腐蝕泄漏和失穩(wěn)變形兩種形式，其中以腐蝕失效居多。從腐蝕失效補償器的解剖分析發(fā)現(xiàn)，腐蝕失效通常分點腐蝕穿孔和應力腐蝕開裂，其中氯離子應力腐蝕開裂約占整個腐蝕失效的95%。補償器失穩(wěn)有強度失穩(wěn)和結構失穩(wěn)兩種類型，強度失穩(wěn)包括內外壓補償器平面失穩(wěn)和外壓補償器周向失穩(wěn)；結構失穩(wěn)是內壓補償器補償器的柱失穩(wěn)。

二、設計疲勞壽命與穩(wěn)定性及應力腐蝕的關系

　　補償器的設計主要考慮耐壓強度、穩(wěn)定性和疲勞性能等三個方面的因素。雖然國家標準和美國EJMA標準對這幾方面的計算和評定都有明確的規(guī)定，但從多年的應用實踐和補償器失效分析中發(fā)現(xiàn)，標準中給出的關于穩(wěn)定性的計算和評定方法不夠全面，且疲勞壽命也僅給出了比較粗的界限范圍（平均疲勞壽命在 103～105適用）。有時一個完全符合標準要求的產品，在實際使用時也會出現(xiàn)一些問題。如內壓軸向型補償器預變位狀態(tài)在壓力試驗時補償器易產生平面失穩(wěn)，大直徑外壓軸向型補償器全位移工作狀態(tài)補償器易產生周向失穩(wěn)，小直徑復式拉桿型補償器、鉸鏈型補償器全位移工作狀態(tài)易產生柱失穩(wěn)。補償器過大的變形不僅對其穩(wěn)定性造成影響，還會為應力腐蝕提供有利的環(huán)境條件。 補償器疲勞壽命與其綜合應力

　　補償器的補償量取決于其疲勞壽命，疲勞壽命越高，補償器單波補償量越小。為了降低成本，提高單波補償量，有些生產廠家將補償器的許用疲勞壽命降得很低，這樣會導致由位移引起的補償器子午向彎曲應力很大，綜合應力很高，大大降低了補償器的穩(wěn)定性。表1給出了無加強U形補償器許用疲勞壽命與子午向綜合應力及單波補償量之間的關系。

補償器的綜合應力與其耐壓強度

　　由標準中給出的補償器平面穩(wěn)定性和周向穩(wěn)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。當補償器設計的許用壽命較低時，不僅其子午向綜合應力較高，環(huán)向應力也比較高，使補償器局部很快進入塑性變形，導致補償器失穩(wěn)。

　　對于內壓補償器，位移應力在補償器波峰和波谷處形成塑性鉸，再加上壓力應力，補償器很快產生平面失穩(wěn)。這就是低疲勞壽命補償器在位移條件下平面失穩(wěn)壓力遠低于高疲勞壽命的補償器的根本原因。例如在預變位狀態(tài)下，即補償器位移量為許用值的1/2時，一個許用疲勞壽命為200次的補償器，尚未達到其允許設計壓力時，已經產生平面失穩(wěn)；許用疲勞壽命為1000次的補償器，達到設計壓力時，補償器處于平面穩(wěn)定狀態(tài)，達到1.5倍設計壓力時，補償器處于臨界失穩(wěn)狀態(tài)；許用疲勞壽命為2000次的補償器達到設計壓力1.5倍時，補償器仍處于平面穩(wěn)定狀態(tài)。

　　從外壓補償器縱向剖面看，相當于一個受壓力的拱梁，工作時補償器處于拉伸狀態(tài)，相當于拱梁降低了拱高，其抗失穩(wěn)的能力自然降低。當補償器單波位移過大時，波紋平直部分傾斜，使得補償器波峰直徑有縮小的趨勢，但波峰圓環(huán)直徑是確定的，為了協(xié)調變形，就會產生波峰塌陷，補償器周向失穩(wěn)。在國內外相應的標準中，關于位移對補償器外壓周向穩(wěn)定性的影響均未涉及，有待于深入探討。

　　綜上所述，雖然至今為止在熱力管網的應用過程中尚未發(fā)現(xiàn)由疲勞而引起的破壞，但補償器過低的設計疲勞壽命，將會導致災難性的后果。

補償器位移與其柱穩(wěn)定性

　　對于復式拉桿型和鉸鏈型補償器，橫向位移是由補償器角變位引起中間管段傾斜實現(xiàn)的。當補償器產生角變位時，補償器凸出側承壓面積大于凹陷側承壓面積，導致補償器附加了一個橫向力，較之軸向型補償器更易產生柱失穩(wěn)。顯然補償器單波位移越大，補償器橫向位移越大，越易產生柱失穩(wěn)。

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