低频率下波纹管膨胀节腐蚀疲劳行为模拟

　　1　前言

　　金属波纹管膨胀节作为现代热补偿技术已广泛应用于国民经济的各个部门,它寿命长、补偿量大、免于维护的特点受到广大用户的欢迎。随着波纹管膨胀节在供热管网中的大量应用,其使用年限和适用范围不断增加、扩展,出现了一些膨胀节因腐蚀而导致破损失效的事故。特别是在大口径的供热主干线上,波纹管是目前唯一的补偿设备,一旦发生问题后果十分严重。

　　2　低频率下不锈钢波纹管膨胀节腐蚀疲劳模拟

　　本试验为实验室模拟试验,为了模拟波纹管在实际工作环境中的抗腐蚀疲劳性能,直接从失效波纹管膨胀节上截取U型波纹管试样,以期检验其使用一段时间后的耐腐蚀疲劳性能,对其腐蚀疲劳失效进行模拟研究,该波纹管失效前的实际运行环境及运行条件见文献^[1].

　　由于波纹管膨胀节已发生腐蚀破坏,试验所用试样均取自波纹管上尽量远离腐蚀断裂的部位。试样制备成U型试样,选取合适的部位,采用J3GB-SS-4000C型材切割机及手工锯条锯取所需的U形试样,利用台式砂轮机及手工锉刀去掉U型试样边缘的毛刺,试样最终尺寸:板厚l为1 mm,宽b为30mm,长为20 mm。

　　腐蚀疲劳试验在如图1所示的盐水槽内进行,槽两侧的螺孔,用来加力,使U型试样产生变形.

　　经分析,实际腐蚀产物中含量最大的离子为Cl-和SO42-两种离子,其最大离子浓度分别为6826. 92 mg/kg和78487. 69 mg/kg,因此本文试验选取的腐蚀介质的主要成分为NaCl和Na2SO4。出于加速腐蚀疲劳试验的考虑,提高了NaCl和Na2SO4的浓度。试验中共配制了两种浓度,一种浓度为腐蚀产物中Cl-和SO42-两种离子残存浓度的两倍,即Cl-和SO42-两种离子浓度分别为13653. 84和15697. 38 mg/kg;另外一种浓度为NaCl和Na2SO4的饱和溶液。

　　试验采用手动加载的方式进行试验,其频率很低,小于0. 1Hz;试样变形量比较大,达到25%。另外,试验为非连续加载,实际试验中各次循环加载期间停留时间不相同,在晚上有很长的停滞时间,但由于波纹管实际工作中的应变循环不均匀,与实际有一定的相似性。

　　3　模拟试验结果

　　有两个试样在经受了1062次和1230次循环后出现了宏观裂纹,大部分试样在盐水与空气的界面处出现了蚀斑。采用微观分析方法对这些缺陷进行分析。

　　3. 1　表面蚀斑形貌扫描

　　试样在进行了34天的试验后,表面逐渐有可见的较大腐蚀斑形成,随着时间推延,其周围似有裂纹形成。在试验后期将其取出制样拿到HITACHI S-3000N扫描电镜下进行表面形貌观察分析,其结果如图2, 3所示。

　　SEM扫描结果显示,肉眼看到的表面上的弯曲细线状并不是裂纹,而是腐蚀沟,图2中的腐蚀沟与腐蚀坑相连,两者时间产生的先后顺序需要进一步的试验才能证实。从图3中可见腐蚀沟周围尚有未与其相连的腐蚀坑。D.L.DuQuesnay等认为点蚀深度是影响腐蚀疲劳寿命的最重要因素[2],此处形成的腐蚀点较浅,尚不足以引起腐蚀疲劳裂纹的萌生,故该波纹管尚有一定的使用寿命,但是随着腐蚀时间和载荷的循环,腐蚀坑会逐渐加深进而发展成裂纹,故需要加强在线检测。