摘要：波紋管補償器的失效主要有腐蝕泄漏和失穩兩種形式。通過正確地選擇波紋管制作材料和結構、合理設計波形參數和疲勞壽命、保證安裝質量等措施，可提高波紋管補償器的安全可靠性。
關鍵詞：波紋管 補償器 失效分析

　　1 前 言

　　波紋管補償器之所以能夠在許多行業中得到廣泛應用，除具有良好的補償能力之外，高可靠性是主要原因。其可靠性是通過設計、制造、安裝、運行管理等多個環節來保證的，任何一個環節的失控都會導致補償器壽命的降低甚至失效。作者經過多年統計發現，造成波紋管補償器失效的原因：設計占10%，制造廠家偷工減料占50%，安裝不符合設備說明要求占20%，其余由運行管理不當引起。

　　2 波紋管補償器的失效類型及原因分析

　　2.1 失效類型

　　波紋管的失效在管線試壓和運行期間均有發生。管線試壓時出現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，波紋管過量變形而失效；由于波紋管設計所考慮的壓力或位移安全富裕度不夠，管線試壓時波紋管產生失穩變形失效；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。

　　波紋管在運行期間的失效主要表現為腐蝕泄漏和失穩變形兩種形式，其中以腐蝕失效居多。從腐蝕失效波紋管的解剖分析發現，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％。波紋管失穩有強度失穩和結構失穩兩種類型，強度失穩包括內外壓波紋管平面失穩和外壓波紋管周向失穩；結構失穩是內壓波紋管補償器的柱失穩。

　　2.2 設計疲勞壽命與穩定性及應力腐蝕的關系

　　波紋管的設計主要考慮耐壓強度、穩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定，但從多年的應用實踐和波紋管失效分析中發現，標準中給出的關于穩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一些問題。如內壓軸向型補償器預變位狀態在壓力試驗時波紋管易產生平面失穩，大直徑外壓軸向型補償器全位移工作狀態波紋管易產生周向失穩，小直徑復式拉桿型補償器、鉸鏈型補償器全位移工作狀態易產生柱失穩。波紋管過大的變形不僅對其穩定性造成影響，還會為應力腐蝕提供有利的環境條件。

　　2.2.1 波紋管疲勞壽命與其綜合應力 波紋管的補償量取決于其疲勞壽命，疲勞壽命越高，波紋管單波補償量越小。為了降低成本，提高單波補償量，有些生產廠家將波紋管的許用疲勞壽命降得很低，這樣會導致由位移引起的波紋管子午向彎曲應力很大，綜合應力很高，大大降低了波紋管的穩定性。表1給出了無加強U形波紋管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。

表1 許用疲勞壽命與綜合應力及單波補償量關系

許用疲勞壽命［N］/次 5000 3000 2000 1000 500 200 100
綜合應力σt/MPa 902 988 1066 1224 1417 1741 2051
單波位移e/％ 70 80 90 100 120 150 175

　　注：（1）綜合應力為由位移和壓力引起的波紋管子午向綜合名義應力；（2）波紋管平均疲勞壽命N＝10［N］；（3）單波位移給出的是以許用壽命1000次為參照的參考值。

　　由表1可以看出，降低疲勞壽命可以大幅度地提高波紋管單波位移，但同時波紋管綜合應力也有大幅度地提高，這必將對波紋管的強度和穩定性造成較大的影響。

　　2.2.2 波紋管的綜合應力與其耐壓強度 由標準中給出的波紋管平面穩定性和周向穩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。當波紋管設計的許用壽命較低時，不僅其子午向綜合應力較高，環向應力也比較高，使波紋管局部很快進入塑性變形，導致波紋管失穩。
 

　　對于內壓波紋管，位移應力在波紋管波峰和波谷處形成塑性鉸，再加上壓力應力，波紋管很快產生平面失穩。這就是低疲勞壽命波紋管在位移條件下平面失穩壓力遠低于高疲勞壽命的波紋管的根本原因。例如在預變位狀態下，即波紋管位移量為許用值的1/2時，一個許用疲勞壽命為200次的波紋管，尚未達到其允許設計壓力時，已經產生平面失穩；許用疲勞壽命為1000次的波紋管，達到設計壓力時，波紋管處于平面穩定狀態，達到1.5倍設計壓力時，波紋管處于臨界失穩狀態；許用疲勞壽命為2000次的波紋管達到設計壓力1.5倍時，波紋管仍處于平面穩定狀態。

　　從外壓波紋管縱向剖面看，相當于一個受壓力的拱梁，工作時波紋管處于拉伸狀態，相當于拱梁降低了拱高，其抗失穩的能力自然降低。當波紋管單波位移過大時，波紋平直部分傾斜，使得波紋管波峰直徑有縮小的趨勢，但波峰圓環直徑是確定的，為了協調變形，就會產生波峰塌陷，波紋管周向失穩。在國內外相應的標準中，關于位移對波紋管外壓周向穩定性的影響均未涉及，有待于深入探討。