燃气桥管中波纹管补偿器的应力分析及补偿改进设想

上海煤气第二管线工程有限公司 苏蕙蕙

0 前言

燃气桥管作为一种架空管线，它的安全问题是整个管线安全建设的重要组成部分。桥管发生事故不仅导致管线设备非计划检修、更换或企业停产，还会造成严重的资源浪费，同时也对桥管沿线的生态环境造成恶劣的影响，甚至严重污染破坏环境。特别是随着城市的发展和人们生活水平的提高，越来越多压力管道安装在人群密集的地区，一旦发生桥管事故都将产生灾难性的后果，给国家和人们带来巨大的损失。

2007年上海奉贤区和南汇区燃气桥管泄露事故发生率较高。其主要产生于两个方面：

(1)波纹管补偿器被拉裂；

(2)支墩与桥管的连接破坏。

图1 波纹管补偿器被拉裂

事故造成大量天然气流失，尽管没有发生火灾和人员伤亡事故，但对周边地区的安全构成了极大威胁，也给周边地区人们的正常生活带来了影响。其中波纹管破坏频繁且后果尤为突出，而且，波纹管在正常运行状态下也经常出现拉伸量超长的状况，经调查奉贤区部分的波纹管超拉伸情况见表1。

表1 超长桥管波纹管明细

1 波纹管补偿器损坏形态

波纹管补偿器破坏形态主要为裂纹沿波峰周向扩展，开始于波纹管的内壁，并向外壁扩展。经有关部门鉴定，波纹管补偿器开裂形态多数为应力腐蚀及疲劳开裂，有以下因素造成开裂：

(1)表面质量，如酸洗过度引起的材料表面的晶间腐蚀沟槽，为引起应力腐蚀开裂的裂源。

(2)腐蚀介质，残留物及工作介质中含有的氯离子和硫离子。

(3)应力(残余应力和服役应力)。

(4)材质中有较多变形马氏体使脆性增加。

上述前3项因素构成了应力腐蚀的基本条件，而较多的马氏体的产生，加速了应力腐蚀开裂和疲劳断裂的进程。可以看出，波纹管补偿器的开裂由材料、服役应力、服役环境等因素共同引起的。

2 波纹管补偿器应力分析

波纹管补偿器作为燃气管道位移补偿的一种重要形式得到了广泛的应用，由于它所承受的外力复杂，应力较高，而且工作温度高，工作介质有较强的腐蚀性，因而常常发生失效，造成较大损失。波纹管补偿器的破裂损坏可以从材料、加工、安装和使用四个方面来进行分析，尤其在使用过程中，波纹管补偿器承受许多确定或不确定因素的影响，受力较复杂，这里主要借助于监测手段来获取波纹管在运行状态下的应变和位移情况，并分析波纹管补偿器受温度和内压作用的影响程度。

2.1 监测布置

监测布置如图2所示。

图2 应变片测点位置

其中应变片(位置见图2中A、B、C处)，分别置于波峰波谷处，配一个数据采集箱接收数据，并搭配另一波纹管做温度补偿。波纹管上布置位移计。另外，考虑到温度对波纹管受力的影响，在波纹管上布置了4个温度传感器以及在桥管模型的跨中布置了3个温度传感器和3个热流计，平均30 min传输1次的频率获得数据。

2.2 设计工况

结合试验条件的可行性，考虑温度、内压对波纹管应变和位移的影响，试验设计了下面3种工况：

工况1：无压状态下波纹管应变和位移的监测，主要判别在温度作用下桥管变形所引起的波纹管应变和位移；

工况2：0.4 MPa状态下波纹管应变和位移的监测，主要判别在温度和内压作用下桥管变形所引起的波纹管应变和位移；

工况 3：桥管加压降压过程监测，由于加压降压过程比较短，一般在5~10 min，可视为温度不变，由此可判别盲板力所引起的波纹管相对位移变化。

2.3 监测数据处理与分析

2.3.1 加压降压期间波纹管两端位移变化及分析

图3 位移计布置

图4 位移计1测得的位移

图5 位移计2测得的位移

图6 位移计3测得的位移

从以上数据看，加压和降压过程中位移变化值有些许不同。一开始的上升阶段是加压过程，管道内压强有0升至0.4 MPa，此过程中位移计1、2、3的变化值分别为1.71 mm、1.37 mm、2.05 mm；接下来的平缓阶段是压强维持在0.4 MPa，接下来的平缓阶段是压强维持在0.4 MPa，约30 min，压强上下有一些波动；然后降压至 0，一个循环结束。接下来又重复做了一个循环，降压过程中位移计1、2、3的变化值分别为1.74 mm、1.41 mm和2.51 mm。

另外，加压和降压过程中位移变化值有些许不同，这是由于温度的影响，加压过程较快，受温度影响较小；而降压过程较缓慢，受温度影响较大，温度引起的波纹管缩短量计入在降压时位移变化值中，所以降压时位移变化量会偏大。

2.3.2 无内压情况下波峰波谷的应变变化分析

经过测试，在无内压的情况下各测点应变变化规律十分明显，近似成周期性变化，周期约为一天，各测点应变变化主要是由于管道因温度变化而轴向伸缩所引起。在同一条件下，波峰处外表面的经向应变变化量普遍比环向应变变化量大。波纹管应力变化一天一个循环，使波纹管受力存在疲劳问题，可能导致波纹管疲劳断裂。

2.3.3 内压0.4 MPa情况下波峰波谷应变变化分析

我们可以看到，加压后波峰处的应变变化值明显大于波谷处的应变变化值，例如：处在波纹管下方的测点，波峰处的数值要远远高于波谷处数值。另外，波峰处的经向应力比环向应力大得多，所以波峰处一般会出现环向裂缝。

2.3.4 波纹管温度变化图

图7 温度传感器布置

图8 温度传感器1测得的温度变化

图9 温度传感器2测得的温度变化

图10 温度传感器3测得的温度变化

图11 温度传感器4测得的温度变化

3 分析和总结

从上述监测试验中，我们可以了解到波纹管运行状态下的基本情况，经分析可以得出以下结论：

(1)从无内压情况下波纹管波峰波谷处应力变化可以看出，温度的变化对波纹管的受力是有影响的，应力一天一个循环，使波纹管的受力存在疲劳问题；

(2)在无内压情况下，随着温度的降低，波峰处外表面应变为压应变，波谷处外表面应变为拉应变；

(3)从有内压情况下波纹管波峰波谷处应力变化可以看出，温度变形在总变形中所占比例较小，内压对变形起主要作用；

(4)在内压作用下，波峰处外表面受压应力，波谷处外表面受拉应力；

(5)在内压作用下，波峰处的经向应力比环向应力大得多，所以波峰处一般会出现的裂缝形态多是环向裂缝。

(6)在降压过程中，快速的流动使气流对桥管产生冲击力，导致波纹管两端位移变化较大，所以建议，在实际工程中桥管降压时要缓慢放气，放气速度控制在0.001 MPa/s以下。

4 燃气桥管的补偿改进设想

4.1 燃气桥管的补偿方法

管道因季节更替及输送介质高于常温将发生热胀冷缩，长度发生变化。当温度较高、管道较长、或由于管道内压力、支架沉降等因素产生的应力较大时，可导致管道超过本身极限应力而破裂，甚至破坏被连接的设备和支架。因此，不能忽视膨胀量及其产生的应力，必须采取补偿措施，减小管道热胀冷缩和位移时所产生的应力，使应力减到管道允许应力之下，以保证管道稳定和安全工作。

目前，燃气管道常用的补偿方法主要为自然补偿法和波纹管补偿器法，设计施工和相关管理人员必须充分了解各种补偿器的特点，并能够正确选择合适的补偿器。

4.1.1 管道自然补偿法

管道自然补偿是利用管道本身的弯曲以自动补偿。在管道的配置中，应优先考虑利用管道弯曲的自然补偿作用，这种利用管道自身长度变化的自行补偿是最好的办法。

4.1.2 波纹管补偿器法

当自然补偿不能满足要求时，可设置波纹管补偿器。波纹补偿器最主要元件是波纹管，主要性能包括：补偿量、弹性刚度，耐压强度、稳定性、疲劳强度等。一般设计管网时要求波纹补偿器在满足强度、稳定性和疲劳寿命前提下，补偿量越大越好，刚度值越小越好。

波纹补偿器允许的补偿能力一般按最大补偿能力的 1/2~2/3计算。为了防止横向突出，波纹补偿器的波数不宜太多，一般常用的是 1～4个波，因为波数太多就会破坏对称变形。

4.2 燃气桥管的补偿改进设想

通过分析，我们提出了燃气桥管的补偿措施有：

(1)依靠桥管的自身变形能力来补偿由于温度变化产生的变形。

(2)减少桥管出地面处弯管的地基沉降，应加强对弯管的地基进行处理，采用回填土夯实和在弯管处打小方桩两种方式。

回填土夯实：弯管处回填必须夯实，应分层回填分层夯实或碾压，每层厚度不大于20 cm，靠近管顶土层只适用人工夯实或碾压。对于交通要道应回填碎石和混凝土，保证回填的密实度，以防地面下沉和重荷载碾压造成管道断裂。

打小方桩：此种方法可以有效地控制弯管处地面沉降，但是施工工序较前一种复杂，可在重要部分采用此方法。

(3)当桥管在常规条件下自然补偿无法实施时，采取设波纹管补偿器，应采取相应的技术措施：

加设套管：可以起到减少温度变化的作用，并且增大管道允许跨距。

增加管道隔热层：降低管道外壁温差变化，从而增大允许跨距。

(4)采用波纹管补偿器补偿时，在采购、设计、施工、运行管理等环节必须详细了解波纹管补偿器适用范围和主要技术参数。补偿器选型时，必须考虑的主要因素：

①管道公称直径DN与接口尺寸或法兰标准及其长度尺寸；

②工作压力p——应使p≤pd(设计压力)，并对波纹管进行应力评定；

③工作温度 t——考虑温度修正系数，校核设计温度；

④材料——取决于介质性质及工作温度；

⑤补偿量——注明要补偿位移的方向和大小(轴向、横向、角向)；

⑥寿命——考虑使用年限或大修、更换周期。

(5)补偿器的生产制造必须满足以下要求：

①补偿器必须采用液压一次成型工艺，具有波高和波距均匀，减薄量小等特点。

②补偿器焊接工艺采用不锈钢包熔碳钢法，耐腐蚀能力增强，提高使用寿命。

(6)施工阶段，必须严格执行波纹管补偿器的安装要求，应注意以下几点要求：

①在对其进行安装前应在施工现场将波形补偿器预先压缩或拉伸到“零点”温度(即温度为年平均温度时，补偿器应为原长，无变形)的长度再进行安装，此方法称为“预拉伸”。预拉伸(压缩)的长度∆ L1可通过下式求得：

式中：∆L1—拉伸或压缩的长度，mm；

al—管道线膨胀系数(钢： 0.12× 10-4°C−1)；

L—补偿管道长度，mm；

∆t—温差，℃；

∆ t= t4− t3，t3为零点温度(施工地区的年平均温度)，t4为安装现场温度；当t4> t3，∆t为正数，需要将波形补偿器进行压缩。反之，∆t为负数，将波形补偿器进行拉伸。

②安装桥管时，波纹管补偿器暂不安装，采用与波纹管补偿器尺寸相同的法兰短管暂时代替。待管道清通、吹扫和强度试验合格后，整体严密性试验前再安装波形补偿器。

③波纹管补偿器安装时应与管道保持同轴，不得偏斜。安装时不得用波形补偿器来调整管位的安装偏差，否则将影响波形补偿器的补偿量，并造成应力集中，导致补偿器容易损伤。

④波纹管补偿器安装时，应设临时约束装置，待管道严密性试验结束后，通气前解除约束装置。

(7)运行维护阶段，必须做好测量记录工作。由于沉降作用对桥管受力影响较大，必要时应对桥管两端的立管沉降位移进行监测，以便及时发现隐患，防止事故发生。