一种耐氯离子腐蚀膨胀节及膨胀节中波纹管的制作工艺

技术领域

本发明属于弹性补偿元件技术领域，涉及到一种膨胀节，特别是在煤 气管网输送中不可缺少的一种耐氯离子腐蚀膨胀节及膨胀节中波纹管的制 作工艺。

背景技术

膨胀节为补偿因温度差与机械振动引起的附加应力，而设置在容器壳 体或管道上的一种挠性结构，它作为一种能自由伸缩的弹性补偿元件，具 有工作可靠、性能良好、结构紧凑等优点，已广泛应用在化工、冶金、核 能等部门。膨胀节在煤气管网输送中是不可缺少的器件，在各个钢铁企业 都大量使用，它直接与荒煤气、湿煤气接触，波纹管内的腐蚀时时发生， 特别是近来，国内铁矿资源缺少，供应不足，我国的精铁粉大量依靠进口 矿源，以满足生产的需要，精矿粉在长途运送和海港存储中长时接触含氯 海水，使氯离子含量大增，在高炉冶炼中氯离子不能消失，而成为有害气 体存活于高炉煤气之中。

我国的金属制波纹管，全部采用冷成型工艺制作，在金属成型过程中 使金属弯曲，改变原有形状，在这个形变过程中，金属受到了冷作硬化， 产生大量的内应力，金属的金相结构发生了晶格结构常数的变化，造成晶 格扭曲，排列无序，自由能下降，应力集聚，随时准备恢复常态。按常规 金相学理论“金属经冷作硬化后应进行再结晶退火或回火”使其恢复晶格 排序，消除内应力，处于稳定状态，但在实际生产中被生产企业省略，使 波纹管长期处于不稳定状态。

一般认为金属波纹管与煤气中的氯离子在金属表面反应呈化学腐蚀， 其实不然，这是表面现象，这种腐蚀是金属表面的均匀腐蚀，它没有深度， 不会造成管壁的损坏。而真正的元凶是“静电晶尖腐蚀”，它的表象呈无数 成片针孔，这些无数的针孔是造成金属波纹管浅露的根源。氯与金属是有 化学反应的，它在任何条件下都会腐蚀金属表面，煤气中除大量的可燃气 体外，还含有水份，水分是化学反应的促进剂。金属波纹管的晶格是扭曲 不稳定的，它时刻想复原。静电是无处不在的，任何空间都存在静电荷， 正负电荷只要具备条件就发生反应。

从以上观点可以看出，氯离子与金属表面的化学反应是基础，金属波 纹管晶格扭曲存在内应力是内因，静电作用与煤气中的湿气是真凶，它加 速化学腐蚀，有电参与产生电化学反应，湿气促进电化学反应的强度，由 此可以看出，要想减缓氯离子对波纹管的腐蚀，先要减缓氯离子与金属表 面的化学反应。

发明内容

本发明为了克服现有技术的缺陷，设计了一种耐氯离子腐蚀膨胀节及 膨胀节中波纹管的制作工艺，使得波纹管的内层管体具有较好的抗腐蚀性、 硬度、耐磨性、疲劳强度，韧性和延展性较高，减少了晶格数量，晶格排 列有序，使波纹管恢复原有的自由能，应力分散，处于稳定状态，使氯离 子对波纹管的晶间化学腐蚀面大大减少，减缓了氯离子与金属表面的化学 反应，从而减缓了氯离子对内层管体的腐蚀速度，延长了波纹管的使用寿 命，从而延长了膨胀节的使用寿命。

本发明所采用的具体技术方案是：一种耐氯离子腐蚀膨胀节，包括波 纹管，波纹管的两端都设置有法兰盘，波纹管与法兰盘之间设置有连接管， 连接管的一端与波纹管固定连接，连接管的另一端与法兰盘固定连接，波 纹管、连接管、法兰盘同轴设置，关键是：所述的波纹管是由内层管体和 外层管体复合而成的，内层管体是由纯铁制作成的，外层管体是由不锈钢 制作成的，内层管体的外径等于外层管体的内径。

所述的内层管体的内表面渗入有一层碳氮共渗层。

所述的碳氮共渗层的厚度为0.03～0.06mm。

所述的法兰盘的表面开设有多个密封圈槽。

一种耐氯离子腐蚀膨胀节中波纹管的制作工艺，关键是：所述的制作 工艺包括以下步骤：

a、准备纯铁板和不锈钢板备用；

b、根据待成型波纹管内层管体横截面的周长和内层管体的长度对步骤 a中备好的纯铁板进行加工，得到内层板备用，根据待成型波纹管外层管体 横截面的周长和外层管体的长度对步骤a中备好的不锈钢板进行加工，得 到外层板备用；

c、将步骤b中得到的内层板和外层板分别对焊成筒状，得到内层管体 和外层管体备用；

d、将步骤c得到的外层管体与连接管焊接固定；

e、将步骤c得到的内层管体装入外层管体内并将内层管体与连接管焊 接固定；

f、划线：在外层管体的外表面划出各个波峰位置：若为单波波纹管， 则外层管体长度的中间位置即为波峰位置；若为双波波纹管，则在外层管 体长度的中间位置上下各偏移1/2波长的位置划线，此处两个划线位置即 为波峰位置；从外层管体长度的中间位置上下各偏移1/2波长或波长的整 数倍，即可得到数波的波峰位置；

g、将步骤f所划的波峰位置对准成型机的滑块，利用成型机的活塞杆 带动锥体挤压滑块使波纹成型，然后将滑块复位，按照下一个波峰位置进 行第二次成型，重复进行多次，得到成型的波纹管；

h、对步骤g得到的成型的波纹管进行再结晶退火处理：将成型的波纹 管加热到650～700℃，保温2～3h，然后随炉缓冷至200～300℃出炉；

i、对步骤h得到的波纹管的内层管体进行碳氮共渗处理：将波纹管放 到渗碳剂中，并在内层管体内加入含氮有机化合物，加热到500～600℃， 使内层管体表面同时渗入碳原子与氮原子，保温2～3h，使碳氮共渗层的厚 度为0.03～0.06mm，到达时间后，空冷即得到所需的波纹管。

步骤i中所述的渗碳剂是Na₂CO₃，含氮有机化合物是尿素(NH₂)₂CO。

本发明的有益效果是：波纹管采用双层结构，外层管体由耐大气腐蚀 的不锈钢制作成，与煤气直接接触的内层管体由纯铁制作成，纯铁质地特 别软，韧性特别大，冷、热加工性能好，具有较好的抗腐蚀性，韧性和延 展性较高，使用该金属减少了晶格数量，使氯离子对波纹管的晶间化学腐 蚀面大大减少，延长了膨胀节的使用寿命。

在波纹管制作过程中进行再结晶退火处理，使形变晶粒重新结晶为均 匀的等轴晶粒，可以消除波纹管在形变过程中所产生的内应力，使波纹管 恢复原来的晶格常数，晶格排列有序，恢复原有的自由能，应力分散，处 于稳定状态。采用化学热处理方法，对内层管体进行碳氮共渗处理，使内 层管体的内表面渗入一层碳氮共渗层，可以使内层管体内表面的含碳量增 加，从而提高内层管体的硬度、耐磨性、疲劳强度等，增强内层管体管壁 的抗腐蚀强度，减缓氯离子对内层管体的腐蚀速度。

附图说明

图1为本发明中膨胀节的剖面示意图。

图2为图1中I的放大图。

图3为利用成型机制作波纹时的结构示意图。

附图中，1代表法兰盘，2代表连接管，3代表内层管体，4代表外层 管体，5代表碳氮共渗层，6代表密封圈槽，7代表滑块，8代表活塞杆，9 代表锥体。

具体实施方式

一种耐氯离子腐蚀膨胀节，包括波纹管，波纹管的两端都设置有法兰 盘1，波纹管与法兰盘1之间设置有连接管2，连接管2的一端与波纹管固 定连接，连接管2的另一端与法兰盘1固定连接，波纹管、连接管2、法兰 盘1同轴设置，关键是：所述的波纹管是由内层管体3和外层管体4复合 而成的，内层管体3是由纯铁制作成的，外层管体4是由不锈钢制作成的， 内层管体3的外径等于外层管体4的内径，纯铁质地特别软，韧性特别大， 冷、热加工性能好，具有较好的抗腐蚀性。

所述的内层管体3的内表面渗入有一层碳氮共渗层5，使内层管体3 表面的含碳量增加，由于碳对氯离子不敏感，所以在保持内层管体3原有 性能的基础上，可以增强内层管体3的抗腐蚀强度，增加耐磨性，降低磨 损损耗。

所述的碳氮共渗层的厚度为0.03～0.06mm，在此厚度内波纹管的硬度 可达到60～65HRC，完全满足了使用要求。

所述的法兰盘1的表面开设有多个密封圈槽6，相邻膨胀节连接时在密 封圈槽内放上密封圈，可以提高密封性，使密封效果更好。

一种耐氯离子腐蚀膨胀节中波纹管的制作工艺，关键是：所述的制作 工艺包括以下步骤：

a、准备纯铁板和不锈钢板备用；

b、根据待成型波纹管内层管体3横截面的周长和内层管体3的长度对 步骤a中备好的纯铁板进行加工，得到内层板备用，根据待成型波纹管外 层管体4横截面的周长和外层管体4的长度对步骤a中备好的不锈钢板进 行加工，得到外层板备用；

c、将步骤b中得到的内层板和外层板分别对焊成筒状，得到内层管体 3和外层管体4备用；

d、将步骤c得到的外层管体4与连接管焊接固定；

e、将步骤c得到的内层管体3装入外层管体4内并将内层管体3与连 接管焊接固定；

f、划线：在外层管体4的外表面划出各个波峰位置；

g、将步骤f所划的波峰位置对准成型机的滑块7，利用成型机的活塞 杆8带动锥体9挤压滑块7使波纹成型，然后将滑块7复位，按照下一个 波峰位置进行第二次成型，重复进行多次，得到成型的波纹管；

h、对步骤g得到的成型的波纹管进行再结晶退火处理：将成型的波纹 管加热到650～700℃，保温2～3h，然后随炉缓冷至200～300℃出炉，再结 晶退火要求将温度加热到再结晶温度以上150～250℃，而铁的再结晶温度 为450℃，通过加热，增加了材料中的原子扩散能力，使冷加工后钢中破碎 和歪扭的晶粒发生再结晶，从而使金属的强度、硬度下降，而塑性升高。

i、对步骤h得到的波纹管的内层管体进行进行碳氮共渗处理：将波纹 管放到渗碳剂Na₂CO₃中，并在内层管体3内加入含氮有机化合物尿素 (NH₂)₂CO，加热到500～600℃，使内层管体3表面同时渗入碳原子与氮原 子，保温2～3h，使碳氮共渗层的厚度为0.03～0.06mm，到达时间后，空冷 即得到所需的波纹管。在常用的碳氮共渗温度范围内，随着温度的升高， 渗入速度显著加快，但是氮的表面层浓度越来越低，而且急剧下降，而碳 的含量却逐渐提高，特别是碳原子的渗入深度大大提高，但是高温下碳原 子扩散加速所以碳的浓度达到一定值后又降低。碳氮共渗温度较低时表面 易形成脆性的高氮低碳化合物ε相，温度升高时可获得含氮渗碳体。另外， 由于氮的作用及氮碳的共同作用，碳氮共渗后的残余奥氏体量比渗碳时多 且与共渗温度有关，温度的提高残余奥氏体在渗层中的分布加深，而其数 量随温度的升高先是降低而后又随温度的升高而增加，因此经过多次实验 将温度控制在800～860℃，在尽可能提高渗速的同时，使碳氮共渗层5中 保存一定的氮量，而且减少碳氮共渗层5中化合物层的出现，使碳氮共渗 层5在淬火后残余奥氏体量调整到一定值，减少内层管体3的变形。

下面给出利用本制作工艺生产的波纹管与现有波纹管性能参数的比 较，如表1所示：

表1

由表1可知，本发明中波纹管的弹性模量小于现有波纹管的弹性模量， 即所产生变形量相同时，对本发明中波纹管施加的力要小于对现有波纹管 施加的力，降低了加工难度。本发明中波纹管内表面的硬度为60～65HRC， 20～67HRC相当于225～650HB，所以本发明中波纹管的硬度60～65HRC远 大于现有波纹管的硬度187HB。

本发明中波纹管的耐腐蚀性、耐磨性、屈服强度也都远大于现有波纹 管的耐腐蚀性、耐磨性、屈服强度，由此可知，波纹管的内层管体具有较 好的抗腐蚀性、硬度、耐磨性、疲劳强度，韧性和延展性较高，减少了晶 格数量，晶格排列有序，使波纹管恢复原有的自由能，应力分散，处于稳 定状态，使氯离子对波纹管的晶间化学腐蚀面大大减少，减缓了氯离子与 金属表面的化学反应，从而减缓了氯离子对内层管体的腐蚀速度，延长了 波纹管的使用寿命，从而延长了膨胀节的使用寿命。