膨脹節(jié)失效分析與改進(jìn)

陳龍

摘 要： 膨脹節(jié)又是一個比較特殊的受力結(jié)構(gòu)，在使用中要求它既要有高的承壓能力，又要有良好的柔性，這本身就是相對矛盾，此外，它還應(yīng)具備一定的穩(wěn)定性和疲勞壽命。因此，膨脹節(jié)的設(shè)計、選材、制造、試驗等不同于一般的壓力容器和管件等剛性結(jié)構(gòu)件，而有其本身的獨特性和復(fù)雜性，它的設(shè)計必須遵循一定的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。同時要求，凡設(shè)計、選用、制造、安裝膨脹節(jié)的人員，都應(yīng)當(dāng)了解和掌握有關(guān)膨脹節(jié)的基礎(chǔ)知識，以便在工程中更好的應(yīng)用它。

關(guān)鍵詞： 膨脹節(jié)； 分析；改進(jìn)；金屬疲勞

【中圖分類號】 TQ052 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】 A 【文章編號】 2236-1879（2018）11-0270-02

一.概述：空冷屬于換熱設(shè)備?？绽湓谑褂梅壑?，由于各種原因可能發(fā)生這樣或那樣的損壞和損傷，使之不能保證設(shè)備的安全運行；有時由于使用條件的變更需要對設(shè)備進(jìn)行局部改造。如果一旦如此，就更換設(shè)備，重新制造一臺空冷，勢必會造成極大的浪費。有時是運行條件所不允許的。為此，對于可以進(jìn)行修理和改造，在保證設(shè)備安全運行的前提下，進(jìn)行局部修理和改造還是有相當(dāng)現(xiàn)實意義的?？绽淙肟诠芫€采用豎管結(jié)構(gòu)，工藝作用十分重要。空冷由于管程入口溫度高，管程入口管段設(shè)置了一個波形補償器。波形補償器（又稱波形膨脹節(jié)）是現(xiàn)代受熱管網(wǎng)和設(shè)備進(jìn)行熱補償?shù)年P(guān)鍵部件之一，除了位移補償作用之外，還同時兼有減振降噪和密封的功能。膨脹節(jié)之所以受到工程人員的特別關(guān)注，主要是它的應(yīng)用日趨廣泛，航空航天、石化、化工、水利、電力、冶金和原子能等工業(yè)部門都要用到它，就是在機車、船舶等交通部門乃至高層建筑、民用大樓也少不了它。膨脹節(jié)又是一個比較特殊的受力結(jié)構(gòu)，在使用中要求它既要有高的承壓能力，又要有良好的柔性，這本身就是相對矛盾，此外，它還應(yīng)具備一定的穩(wěn)定性和疲勞壽命。

二.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

膨脹節(jié)的研究需要標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計和產(chǎn)品質(zhì)量控制，我國五六十年代時期在石化、電力、冶金、造船、宇航等行業(yè)已有了不完整的膨脹節(jié)標(biāo)準(zhǔn)，大多是引用國外的標(biāo)準(zhǔn)，且大部分為原蘇聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)。到了80年代，我國參照國外先進(jìn)工業(yè)國家的標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)我國國情也陸續(xù)制訂了一大批自己的標(biāo)準(zhǔn)。

國內(nèi)膨脹節(jié)常用標(biāo)準(zhǔn)有：GB/T 12777 《金屬波紋管膨脹節(jié)通用技術(shù)條件》；GB/T 16749 《壓力容器波形膨脹節(jié)》；GB/T 12522 《不銹鋼波形膨脹節(jié)》（主要為船用）；JB 2388 《金屬波紋管》；JB/T 6169 《金屬波紋管》；JB/T 6171 《多層金屬波紋膨脹節(jié)》；GB/T 12777 《金屬波紋管膨脹節(jié)通用技術(shù)條件》中，對各種形式膨脹節(jié)術(shù)語、定義的表達(dá)包括：結(jié)構(gòu)、主要位移形式、受力約束件功能、用途等內(nèi)容；規(guī)定的產(chǎn)品分類按產(chǎn)品形式和規(guī)格兩種技術(shù)特性劃分；設(shè)計部分包括波紋管和結(jié)構(gòu)件的設(shè)計；另外對選材、制造、檢驗與實驗方法也有詳細(xì)的規(guī)定。GB/T 16749-97 《壓力容器波形膨脹節(jié)》是在GB 150-89 《鋼制壓力容器附錄E，U形膨脹節(jié)計算》和JB1121-83 《波形膨脹節(jié)》標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合壓力容器和化工機械與設(shè)備行業(yè)的特點，參照美國EJMA等國外標(biāo)準(zhǔn)和國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并吸收國內(nèi)近幾年膨脹節(jié)科研、制造與檢驗技術(shù)以及設(shè)計、制造、質(zhì)量控制等方面的成果與實踐，經(jīng)修改、補充而形成的，是較為完整的綜合產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了金屬波紋管膨脹節(jié)的設(shè)計、制造、檢驗、驗收、貯存、安裝及基本參數(shù)與尺寸等。

三.膨脹節(jié)失效分析

3.1波紋管膨脹節(jié)作為一種管道補償元件，在石油、機械工程、壓力傳感、剛度補償?shù)阮I(lǐng)域被廣泛地應(yīng)用。其作用是在管網(wǎng)中的設(shè)備與管路、設(shè)備與設(shè)備之間的連接中起補償作用。波紋膨脹節(jié)以它的軸向伸縮或角度變化來補償管路系統(tǒng)或設(shè)備因溫差造成的位移。波紋膨脹節(jié)的核心元件--波紋管是柔性的，承受管內(nèi)介質(zhì)壓力產(chǎn)生的波紋管壓力推力、管線和介質(zhì)的重量、流體沖擊力、補償冷熱應(yīng)力，為設(shè)備的安全運行提供有力的保障。

3.2膨脹節(jié)的主要性能指標(biāo)有補償量、軸向剛度、耐壓強度、穩(wěn)定性及疲勞壽命等，而這些性能指標(biāo)在不同工作環(huán)境所表現(xiàn)的重要程度是不同的。在一般情況下，波紋管的設(shè)計主要是以補償能力為主要控制因素。一般，空冷入口管上波紋管的應(yīng)力為，由內(nèi)壓引起的應(yīng)力和由筒體與管子的溫度差使筒體軸向產(chǎn)生伸縮位移而引起的應(yīng)力。這兩種應(yīng)力可分為軸向應(yīng)力（又稱經(jīng)向應(yīng)力）和環(huán)向應(yīng)力（又稱周向應(yīng)力）。對固定空冷入口管上的膨脹節(jié)，一般要求軸向剛度盡可能小。

3.3波紋管膨脹節(jié)失效主要有：強度破壞、失穩(wěn)破壞、腐蝕破壞、疲勞破壞、高溫蠕變破壞等。塔頂回流產(chǎn)物經(jīng)空冷冷卻，空冷入口管線采用豎管結(jié)構(gòu)，工藝作用十分重要。該空冷由于管程入口溫度較高，最高操作溫度是：管程進(jìn)口/出口為200/45℃。為了吸收并消除入口高溫?zé)釕?yīng)力產(chǎn)生的熱位移，在空冷入口管線上設(shè)置了一個波形補償器。在管程入口管線膨脹節(jié)實際形成自由端，當(dāng)塔和空冷入口管線升溫后，該豎管在塔升溫后上升，管線受熱膨脹后出現(xiàn)軸向偏離。在停工時檢查發(fā)現(xiàn)空冷入口膨脹節(jié)損壞。裝置開工時，由于物料不斷加熱升溫，管線上膨脹節(jié)為自由端，溫差應(yīng)力使接管、膨脹節(jié)整體向自由端位移，也存在膨脹節(jié)由于受熱發(fā)生彈性變形，當(dāng)變形超過比例極限或彈性極限后，即產(chǎn)生塑性變形；當(dāng)由開工轉(zhuǎn)入停工階段，膨脹節(jié)發(fā)生塑性變形不能完全恢復(fù)到初始狀態(tài)，使膨脹節(jié)內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力，這時膨脹節(jié)很可能已處于塑性變形階段。隨著停工的時間間隔，產(chǎn)生的拉應(yīng)力由于時效關(guān)系幾乎消失殆盡。再次開停工時仍然出現(xiàn)上述變形，這樣頻繁開停工造成膨脹節(jié)完全被拉伸。膨脹節(jié)可能已發(fā)生局部疲勞損傷，再經(jīng)過后續(xù)開停工交變載荷的作用，這樣膨脹節(jié)受到拉、壓應(yīng)力，超過膨脹節(jié)材料的強度極限，引起塑性和疲勞破裂。另外膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)、型號不當(dāng)，造成膨脹節(jié)發(fā)生扭轉(zhuǎn)、彎曲變形，受拉伸、扭轉(zhuǎn)、彎曲載荷的作用，膨脹節(jié)所受應(yīng)力超過失穩(wěn)許用應(yīng)力，膨脹節(jié)失穩(wěn)彎曲，這種偏拉伸，偏壓縮更加重了膨脹節(jié)破裂的可能性。

四.改進(jìn)措施

4.1.增加附件。

對膨脹節(jié)增加導(dǎo)向節(jié)、主固定支座及大拉桿，相當(dāng)于兩端鉸支，可增強膨脹節(jié)周向、徑向薄膜應(yīng)力造成的許用屈服強度，有效地控制膨脹節(jié)的失穩(wěn)破壞，提高整個波紋管的剛度及穩(wěn)定性。在膨脹節(jié)內(nèi)加導(dǎo)流筒，盡量避免波紋管受沖刷，以延長膨脹節(jié)的安全壽命。工作拉桿應(yīng)有足夠的強度，能承受最大內(nèi)壓推力作用，不能發(fā)生較大變形，以免失去限制作用，所以應(yīng)向制造廠商提供最大承受拉力值。導(dǎo)流筒設(shè)計 應(yīng)按 GB/T 12777《金屬波紋管膨脹節(jié)通用技術(shù)條件》規(guī)定執(zhí)行。

4.2.單層改為多層。

傳統(tǒng)意義上多層波紋管一般用在滿足強度和疲勞壽命設(shè)計中，它與單層波紋管相比，可以有更大的變形補償能力與強度，并能減小膨脹節(jié)的剛度，降低其波峰、波谷的表面應(yīng)力值。由于多層波紋管每一層材料較薄，軸向位移引起的波紋管經(jīng)向薄膜應(yīng)力和位移引起的經(jīng)向彎曲應(yīng)力均要降低，因此多層結(jié)構(gòu)的疲勞壽命比單層結(jié)構(gòu)有所提高。

也可以用不同的材料制作波紋管的內(nèi)層和外層，以適應(yīng)管道的不同使用環(huán)境，尤其是在此類溫度差較大的換熱設(shè)備中，多層比單層波紋管有更多的優(yōu)越性。

但近年來，國外在較重要的部位采用雙層波紋管來解決膨脹節(jié)失效的不可預(yù)見問題。雙層波紋管的每一層都可獨立承受工作介質(zhì)的壓力，且在層間加設(shè)報警裝置。當(dāng)內(nèi)層泄漏時報警裝置會顯示，提醒操作人員、檢修部門定購備件，外層波紋管可繼續(xù)使用，直到計劃停工檢修時再更換。在催化裂化裝置中的重要部位可以考慮采用這種結(jié)構(gòu)，不過設(shè)備采購價格會提高。

4.3.改變波形。

用曲率小、應(yīng)力小的大波形代替曲率大、應(yīng)力大的小波形制造波紋管。

4.4液壓成形。

波紋管的制作方法有機械脹形、液壓成形、焊接成形等。液壓成形可以獲得綜合性能較好的波紋管，焊接成形可以獲得彈性較好的波紋管。因為這種技術(shù)可改善波紋管內(nèi)壁的表面質(zhì)量，降低波紋管的殘余應(yīng)力，有利于提高材料的抗點蝕和應(yīng)力腐蝕能力。

4.5.預(yù)應(yīng)變措施。

采用適當(dāng)?shù)念A(yù)應(yīng)變措施。將U形膨脹節(jié)預(yù)先適當(dāng)?shù)膲嚎s，可以大大降低其工作應(yīng)力，從而提高膨脹節(jié)的疲勞壽命。因為在適當(dāng)?shù)纳炜s范圍內(nèi).膨脹節(jié)的疲勞壽命與該膨脹節(jié)的 （總伸縮量/總額定伸縮量）5次方成反比，如果通過預(yù)伸縮來降低膨脹節(jié)在工作時的伸縮量，則直到基本伸縮量的50%范圍內(nèi)，每降低10%，就可使壽命提高一倍。從而達(dá)到使膨脹節(jié)的使用壽命提高的目的。

4.6.改變材料。

波紋管膨脹節(jié)中的端管、中間管、法蘭連接管等的材質(zhì)應(yīng)與該系統(tǒng)的管道材料相同或相近。在確定波紋管材質(zhì)時，應(yīng)考慮流動介質(zhì)、外界環(huán)境和工作溫度等因素。GB/T 12777標(biāo)準(zhǔn)中列出了波紋管的常用材料。應(yīng)該說明的是，表中的材料并不表示在所列整個溫度范圍內(nèi)均適于制作波紋管，具體采用何種材料應(yīng)向膨脹節(jié)制造廠咨詢后確定。對于可能出現(xiàn)的腐蝕（包括應(yīng)力腐蝕）應(yīng)予以特別考慮。

五.制造中注意的問題

膨脹節(jié)的疲勞壽命與膨脹節(jié)的制造質(zhì)量、材料本身的質(zhì)量密切相關(guān)，例如在制造中應(yīng)盡量減少成型偏差，因為10%的厚度公差就會產(chǎn)生20%的壓力彎曲應(yīng)力變化，進(jìn)而影響壽命。另外波峰波谷的曲率半徑加大或減少均會改變設(shè)計應(yīng)力水平，在材料上應(yīng)注意表面質(zhì)量.膨脹節(jié)表面不應(yīng)有凹陷、劃痕等影響壽命的因素。

六.結(jié)論

實際生產(chǎn)中，存在許多非正常工況，如水壓試驗、突然的停電造成短時間的超高溫高壓，都會對膨脹節(jié)造成不同程度的損壞。最后，參考其他煉廠針對膨脹節(jié)失效的解決方法，膨脹節(jié)的失效原因，從增加附件、單層改多層、改變膨脹節(jié)波形、制造方法、安裝方法、選材等方面提出了改進(jìn)措施，膨脹節(jié)使用壽命得到了有效的延長。

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