液化氣體管路波紋管膨脹節試驗方法解析

汪秋桐

(中國船級社江蘇分社， 江蘇 南京 210011)

1 產品試驗背景

當前,國際社會要求加強環境保護的呼聲日益高漲,世界各國及地區政府紛紛加強環保工作,在制定能源政策時傾向于使用清潔能源,以便減少污染以及對原油和原煤的依賴程度。低碳環保已成為全球航運業發展的方向,作為清潔能源之一的天然氣日益受到人們的青睞。天然氣需求升溫,海運量加大,大幅推動了全球對承擔天然氣海上運輸的液化天然氣船(LNG船)的需求, 天然氣作為船舶動力燃料可以達到國際海事組織(IMO)《MARPOL 73/78公約附則VI》2016年第3階段排放標準要求，因此受到國內外航運企業的廣泛關注。

波紋管膨脹節也稱補償器，是一種彈性補償裝置，主要用來補償管道或設備因溫度影響而引起的熱脹冷縮位移 (有時也稱熱位移)，往往還要承受一定的工作壓力。

由于安裝在液化天然氣動力船氣體管路上的波紋管膨脹節是在-162 ℃超低溫狀態下工作的,用來吸收船舶所特有的位移和振動,以及承受管路裂紋漏氣導致的爆炸風險等,因此不能與安裝在普通管路上的波紋管膨脹節用同一個標準進行試驗和檢驗。

產業發展，標準先行。 受制于行業、技術標準缺失以及加氣設施的不完善，我國LNG動力船舶一直未得到大規模商業化發展。

對于普通管路用波紋管膨脹節，目前國內主要標準如下：

GB/T 12777-2008 金屬波紋管膨脹節通用技術條件；

GB 16749-1997 壓力容器波形膨脹節；

GJB 1996-1994 管道用金屬波紋管膨脹節通用規范；

GB 12522-2009不銹鋼波形膨脹節；

CB/T 1153-2008 金屬波形膨脹節。

中國船級社規范中關于LNG貨物和處理用管路中波紋管膨脹節的適用規范：《散裝運輸液化氣體船舶構造與設備規范》(2006)7月1日生效；《天然氣燃料動力船舶規范》(2013)9月1日生效；國際公約或IACS統一要求關于LNG貨物和處理用管路中波紋管膨脹節要求：

MSC.370(93)及UR-G3(2013)要求中液化氣體貨物和處理用管路 IGF Code (MSC 94/21)。

依據安裝于6500HP單燃料港作拖船LNG燃料供氣系統加注管路上的U型波紋管膨脹節原型試驗的試驗大綱，編寫解析試驗的要求和方法，型式試驗樣品明細如表1所示。

表1 型式試驗樣品明細

材料選用方面，由于奧氏體不銹鋼(SUS304，SUS316L)具有很好的低溫性能,在低溫條件(-196 ℃)時,抗拉強度是常溫下的2.19～2.40倍，屈服強度是常溫下的1.25～2.12倍，延伸率下降到常溫下的70%～83%,所以通常選用以下材料制作LNG船用波紋管膨脹節，常用牌號不銹鋼材料適用溫度范圍如表2所示。

表2 常用牌號不銹鋼材料適用溫度范圍

本次型式試驗按保守情況，在室溫下進行2倍設計壓力的耐壓試驗。

2 試驗目的和試驗項目

膨脹節是一個承受內壓和位移載荷的彈性元件，不但要求其具備設計所要求的功能，還要保證其安全工作。為考核相關力學性能和安全性，必須進行相關的性能試驗。

根據中國船級社(CCS)《天然氣燃料動力船舶規范》(2013)第3章，擬用于氣體管路的波紋管膨脹接頭應進行下述型式試驗：過壓試驗、2倍設計壓力的壓力試驗、循環試驗(熱運動)、周期性疲勞試驗(考慮船體變形)。

3 試驗技術要求和試驗方法

3.1 過壓試驗

未經預先壓縮的波紋管元件應經受不小于5倍設計壓力的壓力試驗而不破裂，試驗持續時間應不少于5 min。

膨脹節有可能由于結構設計不合理、制造質量不符合有關標準要求、或操作不當等原因而引發爆破。

膨脹節爆破試驗裝置和耐壓試驗裝置基本相同,膨脹節爆破試驗時，在不斷加壓的過程中，膨脹節波紋管的變形大致過程如下:當壓力逐漸升至設計壓力時，波紋管外形無明顯變化,在壓力繼續升高后，波紋管會出現失穩現象，可能是平面失穩，也可能是柱失穩。當直徑較小、波數較多時，即L/D(L為波紋管長度，D為波紋管直徑)比值較大時，往往會發生柱失穩，否則可能發生平面失穩。當出現失穩后，繼續加壓，此時，波谷可能部分地被壓扁。壓力繼續上升，失穩加劇。再繼續加壓，則波紋管產生明顯周向鼓脹，局部波形明顯鼓出，波谷也被拉曲。內壓再繼續升高，最后會發生爆破，爆裂口一般是沿徑向開裂,此時可從壓力表上讀出最終的爆破壓力，爆破壓力不小于設計壓力的5倍，試驗持續時間應不少于5 min。試驗樣品過壓試驗時爆破壓力值如表3所示。

表3 試驗樣品過壓試驗時爆破壓力值

由于爆破壓力未滿足不低于5倍設計壓力的要求,經與設計院商量,將設計壓力降低為1.0 MPa, 既滿足規范中LNG船用管路設計壓力應不小于1 MPa(表壓)的要求,又滿足了過壓試驗要求。

普通管路上用波紋管膨脹節沒有爆破試驗要求。

3.2 耐壓試驗

對于帶有附件(法蘭、拉桿、鉸接件等)的原型膨脹接頭，應在制造廠推薦的最大位移條件下，使其經受2倍設計壓力的壓力試驗,不應產生永久變形。根據材料可要求在最低設計溫度下進行該試驗。

膨脹節產品在出廠前，都必須按規定進行耐壓試驗。試驗的目的是檢驗膨脹節在超工作負荷條件下的宏觀強度，檢驗它是否具備在設計載荷下安全運行的能力，同時，可檢驗膨脹節的致密性，檢查材料、結構和制造工藝中可能存在的問題。

耐壓試驗時，要求兩端用盲板密封，還要將兩端固定，使之在壓力試驗時不得伸長，在一般情況下，用堅固的拉桿拉緊兩端蓋。同時，須測量各波間的波距，由于規范中沒有明確產生永久變形的定義，只能借鑒普通管路上的波紋管膨脹節耐壓試驗要求。

進行耐壓試驗時，在不失穩的情況下，檢查波紋管波距的變化，在試驗壓力下：對于不帶加強環(或穩定環)的膨脹節，受壓時最大波距與受壓前波距之比不得大于1.15;對于帶加強環的膨脹節，受壓時最大波距與受壓前波距之比不得大于1.20，否則判為永久性變形。

在液壓試驗時，可用室溫水作試驗介質。對奧氏體不銹鋼波紋管膨脹節，試驗用水的氮離子含量應不越過25 ppm。試驗時，壓力應緩緩上升，當加壓至設計壓力后，壓力應逐級增加，每級壓力級差不超過試驗壓力的10%，一直升壓至規定的試驗壓力，并保壓10 min，此時，各連接部位和焊縫處應無滲漏、無異常變形和異常響聲，并測量波距，分析波距的變化，判斷其是否發生過失穩現象，并作出質量結論。在膨脹節使用中，內壓過大可使波紋管喪失穩定，即出現屈曲。屈曲對波紋管的危害在于它會大幅降低波紋管的疲勞壽命和承受壓力的能力。最常見的2種形式是柱屈曲和平面屈曲。柱屈曲指波紋管的中部整體側向偏移。當波紋管的長度與直徑之比比較大時這種現象經常發生，與壓桿失穩相似,一般外壓不會產生柱屈曲。平面屈曲指1個或多個波紋平面發生移動或偏轉，即這些波紋的平面不再與波紋管軸線保持垂直。變形的特點是1個或多個波紋出現傾斜或翹曲，當波紋管的長度與直徑之比比較小時經常會發生這種現象。

通常為防止波紋管在試驗條件下發生屈曲，試驗壓力應低于或等于極限設計壓力的1.5倍，這是根據材料在室溫下能夠保持柱穩定或平面穩定的力學性質而確定的,而LNG管路用波紋管膨脹節的過壓試驗壓力不低于2倍設計壓力,要求相當高。

當普通管路上的波紋管膨脹節結構復雜，液壓試驗不足以反映出各點試壓要求，或因其他原因不適合進行液壓試驗時，可考慮進行氣壓試驗，試驗壓力通常為設計壓力的1.1倍。進行氣壓試驗時，現場必須有可靠的安全防護措施。進行氣壓試驗的膨脹節的主要焊縫應進行100%的無損探傷檢測。氣壓試驗介質一般為干燥、清潔的空氣，也可以是氮氣或其他惰性氣體，試壓過程中，首先緩慢升壓至規定試驗壓力的10 %，保壓5～10 min，并對所有焊縫和連接部位進行初次檢查，若無泄漏，可繼續升壓至規定試驗壓力的50 %，若無異常情況，其后，按每級為規定試驗壓力的10 %逐級升壓到試驗壓力，保壓10 min，此間壓力應保持不變。不得采用連續加壓的方法維護壓力，不得在有壓力的情況下緊固螺拴。經肥皂液或其他方法檢查，無漏氣、無可見異常變形為合格。

由于規范及IACS其他統一要求中均沒有具體氣壓試驗壓力和試驗結果的判斷要求，目前LNG船用波紋管膨脹節原型耐壓試驗無法進行氣壓試驗。

3.3 循環試驗(熱運動)

對完整的膨脹接頭應進行循環試驗，在壓力、溫度、軸向運動、旋轉運動和橫向運動等條件下，完整的膨脹接頭應能良好地承受至少與實際使用中所遇到的同樣多的循環次數。在保守情況下，允許在室溫下進行試驗。

系統裝置開、停工操作或正常操作中的溫度變化都可能引起管道及設備的熱脹冷縮，從而使波紋管產生伸縮變形。有些場合，也會由于機械位移而產生伸縮變形。這些位移變化所引起的應力往往是交變應力。另外，操作壓力的波動也會引起交變應力，U形膨脹節作為波紋管膨脹節的元件，所承受的反復載荷產生的應力常超過本身材料的屈服極限，這樣會引起高應變低循環疲勞破壞。

波紋管補償器的疲勞壽命與補償量成反比例關系，關于疲勞壽命的計算，各國所用公式不盡相同，但都同源于柯芬(Coffin)-曼森(Manson)公式，柯芬和曼森分別提出描述塑性循環應變范圍與材料循環壽命之間的關系式。

關于膨脹節疲勞的設計計算公式或曲線一般有2類:一類是半經驗的理論公式，如以曼森-柯芬公式為基礎推演而得的蘭格公式；另一類是以試驗數據為基礎的公式或曲線，像美國膨脹節制造商協會標準(EJMA)中的計算式和曲線。從實際應用情況來看，EJMA的計算公式與實際情況較為接近，但是各種設計公式或圖線都有一定適用條件。同時，疲勞壽命的影響因素很多，數據也較為分散，因此，為實際考核膨脹節的抗疲勞性能或為檢驗波紋管是否可以承受預定的變形循環次數，很有必要進行疲勞試驗。

疲勞試驗應在專用的疲勞試驗機上進行，目前常用的疲勞試驗機有液壓式和機械式等2類。

對于設計溫度在材料蠕變溫度下的膨脹節，試驗可在常溫下進行，關于試驗溫度，《關于金屬波紋管膨脹節相關技術參數的提示和銘牌標注事宜》(CND/CMC(2011))通知已明確，如果波紋管設計溫度高于所用材料的蠕變溫度，疲勞試驗須在設計溫度下進行，條件苛刻，目前還沒有廠家進行過該項試驗。奧氏體不銹鋼(SUS304，SUS316L)蠕變溫度不高于435 ℃，根據不同材料，明確膨脹節的設計溫度不超出材料的蠕變溫度，工作溫度超出材料蠕變溫度的只能選用耐高溫的材料設計制造。

在進行疲勞試驗時，波紋管內可以是常壓，也可以是變化的壓力。后者更接近于膨脹節的實際使用工況。通常循環位移是拉壓對稱位移循環，也可以從自由長度進行軸向壓縮至規定值的位移循環。決定循環試驗速率時，應使位移在各波間能均勻分配，一般以每分鐘不超過30次為宜。

疲勞試驗中，當波紋管出現穿透性裂紋時，即認為已發生疲勞破壞。此時測得的循環壽命，即為膨脹節的實際疲勞破壞壽命(次)。

由于波紋管疲勞試驗過程中出現穿透性裂紋的時間無法確定，通常按照膨脹節在設計壓力和軸向總位移量情況下，經過大于2倍的設計疲勞壽命試驗后，無泄漏且無穿透壁厚的裂紋即滿足要求。

3.4 周期性疲勞試驗(考慮船體變形)

對完整的膨脹接頭應在無內壓的情況下進行周期性疲勞試驗，即用模擬相當于補償管段的波紋管運動的方式，在不高于5 Hz的頻率下，至少進行2×106次循環。但只有當管路由于布置原因而實際上會承受船體變形載荷作用時，才要求進行這種試驗。

由于DZUH型波紋管膨脹節安裝于真空絕熱雙層管的內管直管上，外管與船體有連接，但內管并未與船體直接連接，且長度不長，船體的變形對內管不產生作用,可申請免試。但對于安裝于大型船舶的長管段，考慮船體變形的影響，這個循環試驗如何進行尚未可知。查閱資料，無此類試驗的相關方法和要求，規范和統一要求G3(2013)也無如何模擬的具體介紹，建議借鑒GB/T 14525-2010《波紋金屬軟管通用技術條件》中擺動彎曲試驗(無內壓)的方法和要求進行試驗和判定。

3.5 氣密試驗

膨脹節氣密試驗的主要目的是檢驗焊縫及各個可拆連接密封部位的致密性和密封性，以保證膨脹節在工作條件下嚴密不漏。只有當工作介質為易燃易爆或為中度危害以上時，真空條件下操作且真空度大于0.085 MPa時或對泄漏有特殊要求時，才進行氣密試驗。 所謂易燃介質是指與空氣混合的爆炸下限小于10%，或爆炸上限與下限之差值≥20%的氣體，如甲胺、乙烷、乙烯、氯甲烷、環氧乙烷、環丙氫烷、丁烷、三甲胺、丁二烯、丁烯、丙烷，丙烯、甲烷等。

所謂中度危害介質，根據GB 5044《職業性接觸毒物危害程度分級》的規定是指最高允許濃度為1.0～10 mg/m3的介質，按規定危害程度分4級，其中中度危害為Ⅲ級、極度危害為I級。中度危害介質有：二氧化硫、氨、一氧化碳、氯乙烯、甲醇、氧化乙烯、硫化乙烯、二硫化碳、乙炔、硫化氫等。

氣密試驗應在耐壓試驗合格后進行，若耐壓試驗為氣壓試驗時，則無需進行氣密試驗。氣密性試驗壓力一般取1倍的設計壓力。氣密試驗前，應使膨脹節兩端固定，防止試驗時膨脹節端部移動。在試驗時，壓力應緩緩上升，達到規定試驗壓力后保壓10 min，不得有泄漏現象。試驗介質溫度應不低于5℃。

在氣密試驗時，可采用以下方法檢查是否泄漏。

(1) 在焊縫、法蘭等連接部位涂抹發泡劑(如用重量比為10%的肥皂水)進行檢查。若有泄漏，該處會出現鼓泡。

(2) 沉水檢查。對于尺寸不大的膨脹節，通常將其沉沒于水池中檢查，根據有無氣泡冒出，判斷是否嚴密。

(3) 在試驗氣體介質中加入1%的氨氣，在外壁焊縫等處貼上比焊縫寬20 mm的試紙， 觀察有無顏色變化判斷是否滲漏。例如，酚酞試劑浸漬過的試紙遇到氨氣就會呈現紅色。

4 結 論

通過安裝在6 500 HP單燃料港作拖船LNG 燃料供氣系統加注管路上的U型波紋管膨脹節原型試驗項目的大綱編寫和試驗，認為LNG動力船舶相關行業標準及技術標準相當缺乏，目前只能借鑒普通管路用膨脹節相關標準進行試驗和檢驗，基于上述要求編擬的試驗大綱通過中國船級社總部的審核，這一困局希望在LNG動力船舶相關行業標準及技術標準出臺后得以解決。

中國船級社《天然氣燃料動力船舶規范》(2013)在循環試驗(熱運動)和周期性疲勞試驗(考慮船體變形)這2個項目試驗要求和最新的IGF Code(2015)(MSC 94/21)中的試驗要求有差別：

(1)A cyclic test (thermal movements) shall be performed on a complete expansion joint, which shall withstand at least as many cycles under the conditions of pressure, temperature, axial movement, rotational movement and transverse movement as it will encounter in actual service. Testing at ambient temperature is permitted when this testing is at least as severe as testing at the service temperature.

最新的IGF Code(2015)試驗溫度要求應該至少在產品正常工作溫度下進行，而非保守情況下允許在室溫下進行試驗。

(2) A cyclic fatigue test (ship deformation, ship accelerations and pipe vibrations) shall be performed on a complete expansion joint, without internal pressure, by simulating the bellow movement corresponding to a compensated pipe length, for at least 2,000,000 cycles at a frequency not higher than 5 Hz. This test is only required when, due to the piping arrangement, ship deformation loads are actually experienced.

該試驗除考慮船體變形，還應該考慮船舶加速和管路振動，即要求進行循環疲勞試驗是根據實際經驗考慮管路布置或船體變形負荷產生波紋管疲勞的情況，而并非只有當由于布置原因而承受船體變形載荷作用時，才要求進行這種試驗。因此，需考慮管路布置引起的振動,日后的LNG管路用波紋管膨脹節試驗要求會發展得更全面。

[1] 山本忠一，張麗英.超低溫用波紋管型伸縮接頭[J].國外艦船技術(材料類)，1979(8)：29-37.

[2] 錢逸.波紋管膨脹節的設計與應用[EB/OL].www.jz.docin.com/p-6100325.html.

[3] 中國船級社.散裝運輸液化氣體船舶構造與設備規范[S].2016.

[4] 中國船級社.天然氣燃料動力船舶規范[S].2017.

[5] 中國船舶工業集團公司.金屬波紋管膨脹節通用技術條件：GB/T 12777-2008[M].北京：中國標準出版社，2009.

[6] 中國船舶工業集團公司.不銹鋼波形膨脹節：GB/T 12522-2009[M]. 北京：中國標準出版社，2009.

[7] 國家科學技術工業委員會.金屬波形膨脹節：CB/T 1153-2008[M]. 北京：中國標準出版社，2008.