孫大海，耿紹實，何琪琪

（中國石油集團渤海裝備制造有限公司第一機械廠，河北滄州 062658）

0 引言

2016 年1 月，中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司青縣園區(qū)內(nèi)，供熱鍋爐房內(nèi)工業(yè)板換的一次側(cè)回水管線中的波紋管出現(xiàn)了大量的軸向位移，導(dǎo)致管道偏移量過大，進而使波紋管的連接螺絲和螺桿出現(xiàn)了損壞和彎曲，最終導(dǎo)致波紋管連接處漏水，并且管道的滑塊底座有兩處損壞。

1 原因分析

1.1 根據(jù)現(xiàn)場狀況進行受力分析

根據(jù)受力以及現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)進行分析（圖1）：

（1）現(xiàn)場所產(chǎn)生的位移量l1、l2、l3、l4和l5分別為0 mm、224 mm、57 mm、32 mm、0 mm。

（2）l1、l5的位移為0 mm。原因是f1處為閥門與管道，基本上可以認(rèn)為是不可壓縮的，線伸縮量近似為零。f5處則為水泥基礎(chǔ)，所受力基本上被基礎(chǔ)吸收（所受力小于基礎(chǔ)的抗力）。同時，根據(jù)力學(xué)的傳遞特性，可以認(rèn)為f5的數(shù)值近似于f1，即f5=f1。另外，根據(jù)力相互作用的特性，f1=f2。

（3）由于滑塊的阻礙作用，f3處與f4處的受力力臂數(shù)值不同，所以各自產(chǎn)生的扭矩不同，抵消f2扭矩的效果就會有差異。根據(jù)l3=57 mm 和l4=32 mm 的不同，也可以得出上述結(jié)論。

所以，造成不銹鋼波紋管故障的原因就是f2。

1.2 受力結(jié)果分析

（1）鋼的熱脹系數(shù)為1.2×l0-5℃-1，因此供熱管道的伸長量等于安裝時溫度與熱水溫度之差乘以管道長度、再乘以1.2×l0-5℃-1。熱水溫度與安裝時的溫度差為50 ℃，管道長30 m，則其伸長量為50×30×1.2×10-5=0.006 75 m=6.75 mm。

（2）對接焊縫拉力σ=F/Lδ，對接焊縫剪切力Q=F/Lδ。其中，F(xiàn)表示焊縫承受的拉力，δ 為接頭中較薄板的厚度，L 為焊縫長度。滑塊損壞的力f3與f4，分別與l3與l4相乘后再求和，得出滑塊支座的扭矩總和。f3與f4均大于各自的拉力σ 和切力Q。

根據(jù)《城市供熱管道用波紋管補償器》標(biāo)準(zhǔn)，DN200 mm 的波紋管的軸向最大伸長量為290 mm，但是在現(xiàn)場看到的位移數(shù)據(jù)為224 mm，可以看出其瞬間的水力沖擊力非常大。

連續(xù)彎頭之間存在的渦流對壁口處的沖刷和損壞也很大。在渦流狀態(tài)下，如果突然給予一個非常大的力就會使渦流方向出現(xiàn)偏移，也就是離心力方向偏移、離心力作用力加大，沖向渦流區(qū)，對管線造成極大損傷。

按Φ16 mm螺紋小直徑D 求出抗扭截面模量Wt=529.6 mm2。查機械性能10.9 級別中保證應(yīng)力為830 MPa，根據(jù)許用扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力與許用應(yīng)力關(guān)系，軸的扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力τ=0.8×830=664 MPa，則軸所受的扭矩T=Wt×t=529.6×664=351 654.4 N·mm，約3586 kgf·cm。

圖1 受力分析

螺桿外面的螺絲脫扣且螺桿彎曲，說明波紋管所承受的扭力大于螺紋和螺桿的扭力。從集控中心2015 年和2016 年的數(shù)據(jù)曲線可以看出：①運行曲線中至少出現(xiàn)了一次壓力波動情況，最高壓力為0.75 MPa，最大壓差為0.65 MPa；②出現(xiàn)壓差大的情況時安全閥并未開啟，原因是壓差出現(xiàn)的時間極短，未達(dá)到安全閥的開啟條件。

所以，根據(jù)波紋管與管道的位移以及受力，認(rèn)為f2應(yīng)該是水力瞬變產(chǎn)生的破壞性作用力。

（3）水力瞬變是壓力管路中由不同情況導(dǎo)致的流體劇烈膨脹，上一個流動狀態(tài)和下一個流動狀態(tài)之間的差異變化率大等流速劇烈變化引起動量轉(zhuǎn)換，從而使壓力管內(nèi)流體產(chǎn)生壓力突然升高的現(xiàn)象。實際上，水力瞬變就是管道瞬變流動中的一種壓力波。

在壓力管內(nèi)，水錘波速取常數(shù)，流體的各性質(zhì)保持一致，不產(chǎn)生空穴，即無液柱分離。針對上述情況，由波紋管引起的局部波速變化，應(yīng)采用平均波速，兼顧散射現(xiàn)象。

一般來說，當(dāng)水錘波通過波紋管管壁其中一點時，由于前后相鄰點的壓力發(fā)生劇烈變化，在壓力管道內(nèi)壁上，會產(chǎn)生三維動態(tài)應(yīng)力。在忽略流體耦合作用的前提下，通過數(shù)學(xué)模型簡化水錘波近似為階躍壓力，分析軸向、徑向和周向等三維動態(tài)應(yīng)力，認(rèn)為最大應(yīng)力出現(xiàn)在距管端1/3 管徑處。

根據(jù)現(xiàn)場波紋管位于管路中段，對系統(tǒng)內(nèi)的受力變化也非常重要。在中間段出現(xiàn)了不同界面的散射現(xiàn)象以及多個壓力波，其壓力特性與集控的數(shù)據(jù)變化曲線中的壓力特性吻合度較高。

1.3 根據(jù)分析結(jié)果，確定因素

水力瞬變f2的影響因素，有以下5 點：①液柱分離；②一次系統(tǒng)內(nèi)流量突變；③介質(zhì)溫度變化；④波紋管所處的管段位置范圍內(nèi)可能出現(xiàn)渦流；⑤一次網(wǎng)與二次網(wǎng)之間并未真正分開，存在連通的可能。

2 影響因素確定

2.1 液柱分離現(xiàn)象

打開排污口排污時查看排污水，并無氣泡，采集采樣水也未發(fā)現(xiàn)氣泡出現(xiàn)，因此無液柱分離現(xiàn)象。

2.2 一次系統(tǒng)內(nèi)流量突變

查看供熱站內(nèi)的鍋爐運行記錄本以及DCS 上的記錄，發(fā)生故障時間段內(nèi)（30 min 內(nèi)）鍋爐系統(tǒng)流量保持在460～480 m3，并無大的突變現(xiàn)象。

2.3 介質(zhì)溫度變化

爆裂事故中的波紋管是自由膨脹端，有單向內(nèi)壓推力，補償器被拉伸到最大值甚至遭到破壞。介質(zhì)溫度變化值的大小直接影響到管道內(nèi)壓推力的大小，尤其在彎管處，流速的變化值非常大，極有可能產(chǎn)生非常大的力，甚至超過補償器的承載力，對其造成破壞。

查看發(fā)生故障時間段內(nèi)（30 min 內(nèi)）一次回水溫度，溫度變化并不大，保持在58～60 ℃，所產(chǎn)生的內(nèi)壓推力幾乎可以忽略不計。

2.4 波紋管所處的管段位置范圍內(nèi)可能出現(xiàn)渦流

管段所處的位置有8 個彎頭，尤其是前兩個彎頭之間僅僅只有一個閥門與一個波紋管之間的距離，因此在第一個彎頭的邊緣處存在著渦流狀態(tài)。渦流一般集中在壁面，流體通過渦流傳遞動量的同時伴隨著能量的耗散。渦流集中的地方能量消耗大，也就是能量損失大，能量集中度也越大，相應(yīng)地也是薄弱點。

在兩個固定支座間設(shè)置的軸向位移補償器，推薦安裝方法為一端靠近固定支座，其余導(dǎo)向支座的距離按管道設(shè)計要求確定（圖2）。但是現(xiàn)場并未按照4D 的距離安裝第一導(dǎo)向支座，因此受力時會使作用力集中于補償器于第一導(dǎo)向支座之間，尤其是補償器的連接處。

圖2 支座設(shè)置

所以，系統(tǒng)發(fā)生故障的位置就在補償器與彎頭的連接處。

2.5 一次網(wǎng)與二次網(wǎng)之間并未真正分開，有存在連通的可能

鍋爐放灰操作時，出現(xiàn)壓力降低以及出水溫度下降1～2 ℃的情況，鍋爐的進水流量值為460 m3。鍋爐的額定循環(huán)水量為550 m3，正常運行時的調(diào)控區(qū)間最大為-30%～30%，一般為-20%～20%。運行流量為460 m3的原因：提升排煙溫度，避免煙氣經(jīng)過布袋除塵器的一次降溫后，又經(jīng)過脫硫系統(tǒng)的二次降溫后，經(jīng)引風(fēng)機的作用至煙囪的中上部會出現(xiàn)冷凝現(xiàn)象，即煙囪上會掉冰塊。煙氣帶水會造成非常嚴(yán)重的后果，如給引風(fēng)機系統(tǒng)帶來結(jié)露現(xiàn)象、造成風(fēng)機葉輪腐蝕、風(fēng)機的偏心運行等。

供暖初期出現(xiàn)的南區(qū)爆管情況，在其操作閥門過程中出現(xiàn)過如下情況：關(guān)閉閥門后，鍋爐的一次網(wǎng)壓力也出現(xiàn)了突然下降的情況。

根據(jù)現(xiàn)有的運行狀態(tài)，應(yīng)該是鍋爐房內(nèi)為一次系統(tǒng)、外網(wǎng)為二次系統(tǒng)，中間由板換隔開。一次網(wǎng)與二次網(wǎng)應(yīng)該為分開隔離狀態(tài)，但是在以上情況中一次網(wǎng)與二次網(wǎng)的壓力波動卻有相似性。

查看現(xiàn)場，發(fā)現(xiàn)一次網(wǎng)與二次網(wǎng)之間的連接管道較多，且隔離措施僅僅是蝶閥閥門隔斷。蝶閥本身的嚴(yán)密性就較差，長時間不維護和維修，就極有可能出現(xiàn)閥門內(nèi)部泄漏的情況，使得一次網(wǎng)與二次網(wǎng)的隔離出現(xiàn)缺失，形成壓力串聯(lián)的情況。

所以，一次網(wǎng)與二次網(wǎng)之間極有可能連通。

3 故障原因及采取措施

（1）故障原因：①波紋管的連接設(shè)置有缺陷，間距不夠且周邊彎頭太多，使波紋管成為系統(tǒng)的壓力薄弱點；②可以適當(dāng)提升鍋爐的循環(huán)流量，以有效抑制水力沖擊；③隔斷不必要的一次網(wǎng)與二次網(wǎng)連通管道，確保一次網(wǎng)與二次網(wǎng)隔離。

（2）針對故障原因可以采取如下措施：①安裝波紋管等受壓管件時，需要符合一定的標(biāo)準(zhǔn)；②采暖期結(jié)束后，需要對系統(tǒng)的管道進行改造，隔斷不必要的一次網(wǎng)與二次網(wǎng)連通管道，確保一次網(wǎng)與二次網(wǎng)隔離，同時拆除不工作的水泵；③采暖期結(jié)束后，對脫硫系統(tǒng)進行改造，增加噴淋和霧化效果，減少氫氧化鈉的使用量，降低灰水泵的使用電量以及引風(fēng)機的使用頻率和電量。

4 預(yù)計經(jīng)濟效益

（1）控制好管系的水力平衡和動態(tài)數(shù)據(jù)，可以減少泄漏量。以這次的泄漏量來計算，管徑為DN200 mm，閥門前后的管段長30 m，發(fā)現(xiàn)泄漏至控制泄漏的時間為0.5 h，消耗水量4.62 m3，因為水中有藥劑和溫度，故此項維修費用為277.2 元/次。

（2）隔斷不必要的一次網(wǎng)與二次網(wǎng)連通管道，確保一次網(wǎng)與二次網(wǎng)的隔離。這樣可以有效避免一次網(wǎng)系統(tǒng)的壓力波動和水力沖擊，同時大大減少對二次網(wǎng)管道損耗——沖刷。

（3）改造脫硫系統(tǒng)。2015—2016 年采暖期的氫氧化鈉預(yù)計消耗量為57.15 t，每噸單價為3550 元，總費用為202 975.35元。總電量消耗為124 320 kW·h，總費用為133 022.4 元，消耗量太大。若進行相應(yīng)的改造，預(yù)計可以減少氫氧化鈉的消耗量和灰水泵的總電量。

假設(shè)通過改造，每個班平均加氫氧化鈉量為2 袋共50 kg，那么140 d 的使用量為21 000 kg，這樣可以節(jié)約氫氧化鈉36.15 t，節(jié)約藥劑費用128 332.5 元。原有的水泵功耗為37 kW，一個采暖期的運行電量為124 320 kW·h。如果改為21 kW 的水泵，則可節(jié)約電量53 760 kW·h，節(jié)約電費57 523.2 元。這樣，共計節(jié)約費用為185 855.7 元。