不锈钢波纹管开裂机理及分析毕业论文
2022-02-11 19:09:40
论文总字数：9039字
毕业论文开题报告
学生姓名： 汪功顺 学 号： 1201140421
所在学院： 机械与动力工程学院
专 业： 过程装备与控制工程
设计(论文)题目： 不锈钢波纹管开裂机理及分析
指导教师： 姜勇
2018 年 1 月 10 日
毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告
不锈钢波纹管开裂机理及分析 |
文 献 综 述
波纹管是一种外表面呈波纹状的薄壁管件, 一般由不锈钢或铜合金加工制成,具有较大的轴向弹性,是管道的连接和补偿装置,具有工作可靠、结构紧凑等优点,还可以降低噪声,吸收管路的振动,起到减振的作用[1]。目前,对波纹管的设计和计算大多都基于静态结构强度分析和理论分析,考 虑了静载荷和静特性,而通常应用中动载荷的作用对波纹管的影响也是很大的,因此还要避 免实际使用过程中因为外部的激振力频率与波纹 管的固有频率一致而产生的共振,从而导致波纹管损坏,这就需要考虑波纹管的动态特性并对其进行分析研究[2]。 不锈钢波纹管是由一系列环形壳体组成的一种旋转壳体，它可以在外加载荷作用下改变元件的形状和尺寸，当载荷卸除后又回到原来的状态[3]。根据这种特性，不锈钢波纹管可以实现测量、连接、转换、补偿、隔离、密封、减振等功能[4]。近几年，随着国内能源、核电、航天等领域技术水平的迅速发展，高温、 高压和耐腐蚀等特殊用途的金属波纹管需求日益增加[5]。波纹管在工作条件下会受到各种载荷的作用，因此影响波纹管失稳或破坏的因素有很多[6]。 金属波纹管补偿器的主要失效形式包括失稳、疲劳 及腐蚀破坏等[7-8]。 1.2研究现状 波纹管膨胀节是现代动力管网和设备进行热补偿的关键部件之一,其作用除了位移补偿外,还兼有减振降噪和密封的功能。波纹管膨胀节之所以受到工程人员的特别关注,主要是它的应用日趋广泛,不仅广泛应用于石油、化工、冶金、电力、原子能等工业 部门,还应用于机车、船舶、城市燃气和民用部门。 不锈钢波纹管常见失效形式中以局部腐蚀为主,腐蚀类型主要包括应力腐蚀、晶间腐蚀、孔蚀、电偶腐蚀、氢脆等,在诸种腐蚀中,应力腐蚀破裂是最主要的一种。在工业生产及生活中,应力腐蚀无处不在。近年来,科学工作者对不锈钢波纹管膨胀节的 研究给予极大关注,在波纹管表面组织结构、残余应力、SCC敏感性等方面均取得一定的研究成果,为波 纹管膨胀节的设计、制造、检验、运行管理等环节的安全保障提供强大的技术支持[9]。 1.3波纹管的发展与种类 波纹管是一种带横向波纹的圆柱形薄壁弹性壳体[10] ,其生产历史已有一百多年, 是一个比较特殊的结构。在使用中要求它既要有一定的承压能力, 又要有良好的柔性,还应具有稳定性和一定的疲劳寿命。对于各种不同的操作工况要求, 波纹管有多种形式。就波的形状而言, 以U型波纹管应用最为广泛, 其次还有C型、Ψ型、矩形和S型等;就层数而言,分为单层和多层波纹管。另外还可以根据是否带有加强环来将波纹管分成有加强型波纹管和无加强型波纹管两种形式。波纹管是现代受热管网和设备进行热补偿的关键部件之一, 除了具有位移 偿的作用外, 还具有减振降噪和密封的功能, 常应 用于冶金工业( 高炉用膨胀节和热风炉用膨胀节) 石化工业( 催化裂化装置用膨胀节) 、化学工业波纹管换热器) 以及城市建设( 供热管道用膨胀节) 中[11]。 波纹管主要包括金属波纹管、波纹膨胀节、波纹换热管、膜片膜盒和金属软管等。金属波纹管主要应用于补偿管线热变形、减震、吸收管线沉降变形等作用，广泛应用于石化、仪表、航天、化工、电力、水泥、冶金等行业。塑料等其他材质波纹管在介质输送、电力穿线、机床、家电等领域有着不可替代的作用[12]。 金属波纹管是一种挠弹性、薄壁、有横向波纹曲 线的管壳零部件[13]。它既有弹性特征又有密封特性， 在外力及力矩作用下能产生轴向、侧向、角向及其组 合位移，密封性能好[14]。 金属波纹管的种类主要有薄壁波纹管、金属波纹软管和波纹膨胀节等３种。随着金属压力加工、材料加工、金属材料等技术进步和各种结构薄壁波纹管的大量应用，相应产生了许多种制造波纹管的方式及制管机[15]。这些方式是液压成形、机械胀形、橡胶成形、旋压成形、焊接成形、滚压成形和电沉积成形等[16]。每种方式都有其独特的优点。例如：液压成形可以生产出力学性能较好的薄壁波纹管．滚压成形可以制造特大直径的（直径高达４００ｍｍ 以上）的波纹管；焊接成形可以获得弹性极好的波纹管；电沉积可以制造小直径和高强度的波纹管。 1.4不锈钢波纹管的特点 不锈钢波纹管作为一种柔性耐压管件安装于液体输送系统中，用以补偿管道或机器、设备连接端的相互位移，吸收振动能量，能够起到减振、消音等作用，具有柔性好、质量轻、耐腐蚀、抗疲劳、耐高低温等多项特点[17]。 不锈钢波纹管是现代工业广泛使用的金属弹性元件，它不仅具有热补偿，而且具有减振降噪和密封的功能。长期应用实践表明，绝大部分奥氏体不锈钢波纹管能够安全可靠运行，然而，在特殊环境条件下，如在含有 Cl－ 、SO2、H2S、CO、CO2、高温水等介质中使用时，往往会产生应力腐蚀开裂( SCC)[18] 。 不锈钢波纹管广泛用于石油化工、制药、发电、 钢铁、水泥等行业的各类管道和设备上,由于以上行业使用的介质都含有腐蚀性物质,且用量很大,所以 研究其早期失效对于安全生产,减少不必要的损失 有很重要的作用。不锈钢波纹管适用于蒸汽、水、油 类及各种工业气体、药品等介质输送。作为管道位移的一种重要补偿方式,对管道系统的运动,热膨胀 吸收、振动吸收起着重要的作用[19]。 1.5常见的失效形式 波纹管的失效主要表现有以下几种形式 [20] （1）强度失效：波纹管在内压和位移联合作用下，管壁内产生的最大应力大于材料的容许应力时，就有可能产生破裂。一般来说，设计者如按规范进行设计和选材，在工程上出现这种失效是不多见的。 （2）疲劳失效：波纹管在交变循环应力长期作用下，会发生弹-塑应变疲劳〈低周疲劳），出现疲劳裂纹。 （3）稳定失效：膨胀节在压力和位移作用下出现柱屈失稳和平面失稳。柱屈失稳多出现在多波膨胀节，而平面失稳即是很少的波也会出现。失稳严重时，极大地降低了膨胀节的承载能力和使用寿命，是压力设备和管道的隐患。 （4）蠕变失效：所谓“蠕变”，材料在保持应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象。它与塑性变形不同，塑性变形通常在应力超过弹性极限之后才出现，而蠕变只要应力的作用时间相当长，它在应力小于弹性极限时也能出现。 （5）腐蚀失效：一般的化学腐蚀，会引起波纹管均匀减薄，而出现强度破损也可能出现点蚀穿孔，引起泄露。 （6）脆裂失效：应力开裂、晶间腐蚀、氢脆，甚至湿HS、高温硫都可能引起材料的脆裂[21]。 腐蚀和脆裂，都与波纹管选材有关。因此，应引起设计人员的高度重视。对于特定的某膨胀节，上述失效形式一般不会同时发生，但它们之间却又有密切关联。如露点腐蚀，常会萌发应力开裂；失稳常引起疲劳失效等现象。 1.6不锈钢波纹管开裂的原因 不锈钢应力腐蚀开裂的发生条件一是应力，二是腐蚀。不锈钢波纹管在生产、制造的过程中不可避免的产生应力，如冷变形应力[22]、热处理应力等，且零件在工作状态下所受到的工作应力和温度梯度所产生的热应力。这些应力都可能成为应力腐蚀开裂的应力因素。不锈钢是因表面生成钝化膜而具有耐蚀性的金属，一旦由于某种原因表面膜被局部破坏而露出新鲜表面后，这部分金属解除了包含CI-、s介质就容易导致应力腐蚀开裂[23]。 波纹管的可靠性是通过设计、制造、安装、运行管理等多个环节来保证的, 任何一个环节的失控都会导致波纹管寿命的降低甚至失效。其失效原因主要分为以下四种[24]。 ( 1 )腐蚀和共振引起的断裂 波纹管的断裂在波纹管的应用过程中是最常见 也是发生最多的一种, 其中因腐蚀造成的波纹管开 裂的现象包括腐蚀减薄、 应力腐蚀、 腐蚀疲劳等, 另外, 当波纹管的自振频率与系统中任一振动频率 相同或相近而产生的共振也会导致波纹管的疲劳寿 命锐减从而快速开裂[25]。 ( 2 )失稳由于波纹管特殊的几何形状在压力和位移的作 用下会造成失稳。波纹管的失稳分为平面失稳和柱状失稳。若柱失稳或平面失稳得不到控制, 波纹形 状就将发生较大的变化, 脱离原有的计算模型, 位移又集中在某一个或某几个波纹上,致使波纹管失去工作能力, 最终将导致波纹管很快疲劳断裂。 ( 3 )设计不合理波纹管强度设计和材料的选择不当是造成其失效的重要原因。 ( 4 )缺陷 分为材料的缺陷以及施工缺陷。材料的缺陷主要在于波纹管的生产厂家制造管件的技术质量差以及制造管件的材料的质量差。施工缺陷主要是由于 安装质量不佳、焊接质量差以及运输过程中造成的 机械损伤。这些缺陷一旦造成, 在高温高压强腐蚀 的工况下, 极易造成波纹管未达到疲劳寿命而提前失效[26]。 波纹管的腐蚀，极大地降低了波纹管的使用寿命。有些环境对设备和管道主体看影响不大，但对波纹管的腐蚀却非常显著。波纹管的腐蚀有以下几种形式：化学腐蚀和电化学腐蚀 、应力腐蚀、晶间腐蚀、高温腐蚀 、氢腐蚀及其他特殊腐蚀现象 1.7不锈钢波纹管开裂的危害 不锈钢波纹管是现代工业广泛使用的金属弹性元件[27]，它不仅具有热补偿，而且具有减振降噪和密封的功能。长期应用实践表明，绝大部分奥氏体不锈钢波纹管能够安全可靠运行，然而，在特殊环境条件下，如在含有 Cl－ 、 SO2、 H2S、 CO、CO2、高温水等介质中使用时，往往会产生应力腐蚀开裂(SCC) 。城市公用管道(如:供热管道、燃气管道) 波纹管由于介质中浓缩的 Cl－和H2S残留，常常发生因应力腐蚀引发的爆炸失效事故，对环境、安全构成极大威胁[28]。 不锈钢波纹管是现代工业广泛使用的金属弹性元件，长期应用实践表明，在特殊环境条件下，波纹管常常发生因应力腐蚀引发的爆炸失效事故，对环境、安全构成极大威胁。波纹管在实际使用中,工作环境苛刻， 工作介质常为强腐蚀介质,如硫化物、氯化物、衍生的亚 硫酸、连多硫酸等有害成分， 金属波纹管在加工 中形成的残余应力,工作中的介质压力、热应力、装配应力等,这些因素常常导致波纹管产生腐蚀,继而 引发爆炸、中毒等恶性事故,给企业生产、安全造成严重影响[29]。 例如在某炼油厂催化装置中Dg1600三波铰链波纹管在运行过程中突然爆裂,造成重大事故,严重影响了正常生产。波纹管的开裂不仅容易造成工厂的经济损失，有时候还危及员工的人身安全[30]。 1.8预防措施 （1）膨胀节要避免选用对操作介质应力裂纹敏感的钢材作为波纹管的材料[31]；对于腐蚀较严重的介质，宜于选用高铬、镍的耐蚀合金钢或镍基钢[32]。 （2）对用作波纹管材料的化学成分、杂质含量、内部缺陷要有严格的限制和检验。 （3）波纹管的参数选用要合理，以便减小波纹管内的应力值。一般说来波纹管的壁厚不能过大，否则热位移会沿子午向产生很大的薄膜应力和弯曲应力。在工程上，波纹管单层壁厚大于5mm的膨胀节很少使用[33]。 减少疲劳循环次数，提高疲劳应力，对于工程设计来说，不是明智之举。 对于压力较高或直径较大的膨胀节，宜选用多层波，当失稳满足不了要求时，可采用加强环机构，此时选用较大的波高比较有利。 (4)波纹管的成型、焊接，避免机械损伤，防止表面飞溅焊渣，焊瘤。严格进行焊缝探伤检查。应力裂纹多发生在纵、环焊缝处。 （5）波纹管的成型后要进行热处理。消除成型时的残余应力。 （6）改善工艺操作介质的腐蚀环境，对于喷水或水蒸气的工艺系统，采用除盐脱氧的水或蒸汽。加缓蚀剂也是工程上常采用的措施。 （7）防止露点腐蚀，是防止电化学腐蚀和应力腐蚀重要的一环。大量工业实践证明了，材料的腐蚀，在介质出现相变过程（气体冷凝为液体）最为严重[34]。 1.9建议 建议不锈钢波纹管应该安装在相对干燥的环境下，并始终保持干燥清洁，避免积水侵蚀，防止水分反复蒸发和凝聚。投资少的措施是在补偿器周围砌筑防水隔离带，且使用不含氯离子的水泥防水剂和保温剂，以防止外界氯离子含量高的污水进入波纹管[35]。 建议加强波纹管制造质量的检验工作，提高焊接质量使纵焊缝余高符合标准要求；由于波纹 管的螺旋状多层套合无密封作用且标准中未提及该种形式，可采用每层均起密封作用的套合形式；必要时对波纹管进行固溶处理，以改善波纹管性能[36][37]。 参考文献 [] Shalaby HM. Failure investigation of a convection line elbow. Eng Fail Anal 2007;14:739–42. 请支付后下载全文，论文总字数：9039字
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