波紋管膨脹節在熱管道中破損原因分析及解決辦法

程永新

(中國電力工程顧問集團中南電力設計院，武漢市，430071)

0 引言

熱力管道中輸送具有一定壓力和溫度的蒸汽時，受管道熱伸長或溫度應力作用，可能造成管道變形或破壞。為此，需要在管道上設置膨脹節，以補償管道的熱伸長，從而減少管壁的應力和作用在閥件或支架結構上的作用力。

波紋管膨脹節由1個或幾個波紋管及結構件構成，用來吸收由于熱脹冷縮等原因引起的管道或設備尺寸變化。由于其具有補償性能良好、使用與維護簡單等優點，廣泛應用于大口徑的供熱管網，作為主要的補償設施［1-2］。本文對波紋管膨脹節在熱網中的應用進行探討。

1 問題的提出

某熱電廠供熱管道設計參數為螺旋縫電焊管φ820 mm×10 mm，管道材質為Q235-A，設計壓力為0.981 MPa，設計溫度為259℃。結合熱力管道的現場情況，選擇了內外壓平衡型波紋膨脹節。這種膨脹節帶有旁通的新型補償器，該補償器利用流體力學平衡原理，可消除管道的內壓力對固定支架的作用力，給管網設計和施工帶來很大的方便，并且降低土建工程造價。該膨脹節的參數見表1。

表1 膨脹節技術參數Tab.1 Technical parameters for expansion joint

本工程的供熱管道安裝了1個16YDH800-J型、2個16YZYPD800-J型波紋管膨脹節。在機組試運行時，2個16YZYPD800-J內外壓平衡型波紋膨脹節脹裂損壞，導致機組停運?，F場情況如圖1，波紋管的外表面因脹裂被拉長、拉桿被拉斷、耳板脫裂，導致膨脹節嚴重損壞。

圖1 膨脹節損壞Fig.1 Damage of expansion joint

2 原因分析

2.1 管線布置

管線根據既要保證管系安全可靠，又要節約投資的原則進行設計。在管路系統設計中，選擇波紋管膨脹節時，首先應選擇固定點。借助于固定點，不管任何復雜的管系，都可以劃分為形狀相對簡單、一定數量的單個膨脹管段，即直管段、“L”形彎管段、“Z”形彎管段等［3］。因整個供熱管網較復雜，現以出現問題的直管段為例進行分析，其管道的平面布置如圖2所示，101、106為固定支架，105為導向支架，其余均為滑動支架。

圖2 熱管道布置Fig.2 Layout of heating pipeline

根據典型管段中波紋管膨脹節的布置原則［4］，在2個固定點支架中只設置1個膨脹節，用于吸收此直管段的軸向位移［5］。膨脹量的計算公式為

式中:ΔL為管道熱伸長量，mm;L為2個固定支架間的距離，m;α為管道的線膨脹系數;t1為管道設計安裝溫度，℃;t2管道內介質溫度，℃。

根據式(1)可知，管道軸向膨脹量為136 mm。從表1中可知，此處膨脹節的允許軸向補償量為190 mm，足夠滿足此直管段的熱補償要求。所以，膨脹節破損不是因管線布置不合理而引起的。

2.2 安裝問題

事故發生后，查看了現場，發現101號固定支架向右側偏移，以致混凝土結構生根面連同預埋件一起脫離。

合理設計的管路系統中，支架是保證波紋管膨脹節正常發揮作用的必要條件。作用于固定支架上的作用力有3種，包括摩擦力、彈性力及內壓反作用力［6-7］。結合本工程，查看了此管系的應力計算書(美國SIMFLEXS管道應力分析軟件計算數據)，可知各點的荷載及熱位移值，見表2。表中:x方向，向右為正;y方向，向上為正。

計算固定支架的推力時，應分別計算工作條件下和在試壓條件的推力，取其最大值作為土建設計的依據。查看土建管架的設計圖紙，可知:本工程的熱網在結構上雖然滿足了表2中的荷載要求，但在施工時，管架結構頂面處預埋件未按要求施工，設置錨筋的數量未達設計要求，導致此處固定支架沒有真正起到固定作用，因而當管道升溫后，破壞了管系的受力平衡，這是本例事故發生的主要原因之一。

表2 受力計算Tab.2 Force calculation

2.3 制造問題

對于多層波紋管而言，如設計考慮不周，制造工藝控制不嚴，焊接質量及工作應力引起的疲勞都會引發一系列的失效問題。查看本工程中已損壞的膨脹節，發現圖3中圓圈處焊接不牢，導致此處脫節。因為當內部有壓力的時候，左邊的波紋管受內壓作用有伸長的趨勢，里面的波紋管受外壓作用呈縮短的趨勢，這時在圖3所示圓圈處的焊接部位就會出現一個向左拉，一個向右拉的受力點，當此處焊接強度未能滿足要求時，會導致左邊的波紋管在內壓的作用下脹裂。若拉桿未拆除的話，甚至會把拉桿拉斷，本工程就出現了此情況。所以這也是本例事故發生的主要原因。

3 解決辦法

3.1 加強固定支點

圖3 內外壓平衡型波紋膨脹節結構Fig.3 Structure of bellows expansion joints with internal and external pressure balance

101號固定支架出現脫落后，現場對支架的預埋件進行了加固處理。在原固定支架處，利用鋼板對生根的結構梁進行環箍焊接。用于管部的支架鋼管直接焊接在鋼板上，保證焊縫的高度滿足要求。因軸向型波紋管補償器對固定支座產生壓力、推力，造成固定支座推力大，所以固定支架必須有足夠的強度，以保證膨脹節不受破壞。導向支架必須有足夠的導向性，否則影響管線位移的傳遞。

3.2 膨脹節焊接加強板

在膨脹節內部的關鍵焊接部位采用加強板進行加固處理，如圖4所示。

圖4 內外壓平衡型波紋膨脹節加固結構Fig.4 Reinforcement structure of bellows expansion joints with internal and external pressure balance

波紋管成型工藝有整體液壓成型、滾壓成型、機械脹型等，無論哪種成型方法對不銹鋼材料來說，均存在冷作加工變形及加工硬化。因此，未經固熔化熱處理及已進行固熔化熱處理的波紋管的強度校核指標問題，是波紋管膨脹節設計制造廠家值得研究的問題。本例事故并不完全排除因設備制造質量造成失效而引發的。

3.3 安裝注意事項

(1)除設計要求預拉伸(壓縮)或“冷緊”的預變形量外，不能用波紋膨脹節壓縮、拉伸、偏移、扭轉等方法來調整管段的安裝偏差，以免影響膨脹節的正常功能，降低使用壽命和增加管系、設備及支架的荷載。建議管系上的配對法蘭保留到就位后焊接。

(2)安裝時如果需要焊接，必須保護波紋管表面，防止焊接飛濺物和引弧燒傷波紋管，通常可用中性濕石棉保護。

(3)當膨脹節被正確固定和導向后，應拆除膨脹節上用于安裝運輸的輔助定位構件及緊固件，或按設計要求將限位裝置調到規定位置。本工程中，換上新的膨脹節后拆卸了拉桿，運行良好。

(4)水壓試驗時，應對裝有膨脹節管路端部的次固定架進行加固，使管路不發生移動或轉動［8-9］。

3.4 膨脹節合理選型

在設計中配合工藝設計、管道布置，首先選擇固定管道的位置，借助于固定點，將復雜的管系劃分為簡單的、一定數量的單個膨脹管段，再計算出這些管段的軸向位移、橫向位移和角位移，然后根據管內流動的介質、壓力、溫度、位移量、工程外部條件等選擇合適的膨脹節。

4 結語

波紋管膨脹節之所以能夠在熱網中得到廣泛應用，除具有良好的補償能力之外，可靠性高是主要原因。其可靠性是通過設計、制造、安裝、運行管理等多個環節來保證的，任何一個環節的失控都會導致膨脹節壽命的降低甚至失效。建議設計院、制造廠、安裝及用戶單位有必要開展一些技術交流工作，以便更全面掌握波紋管膨脹節設計、安裝技術，從而在進行管網設計、膨脹節選型計算和布置、組織施工等方面，做到管網安全、經濟、合理，杜絕安全事故產生。

［1］GB/T 12777—2008金屬波紋管膨脹節通用技術條件［S］.北京:中國標準出版社，2008.

［2］GB/T 12522—2009不銹鋼波形膨脹節［S］.北京:中國標準出版社，2009.

［3］查爾斯·貝赫特.工藝管道ASME B31.3實用指南［M］.陳登豐，秦叔經.北京:化學工業出版社，2006:221-230.

［4］祁連中，姜林慶.波紋管補償器在熱網工程的應用［J］.煤氣與熱力，2010，30(9):4-7.

［5］趙寶林，馬鳳琴，陳述曾.波紋管補償器在管網中靜壓軸向推力的計算［J］.華北水利水電學院學報，2005，26(4):16-18.

［6］高重建.蒸汽供熱管道波紋管補償器的設計計算［J］.煤氣與熱力，2006，26(5):6l-65.

［7］丁德平.波紋管補償器實際應用中應注意的問題［J］.林業科技情報，2007，39(1):47-48.

［8］吳文學.波紋管膨脹節的設計、選用、安裝與檢驗［J］.廣西輕工業，2010，136(3):36-37.

［9］張亞統，王啟軍，夏致云.外壓軸向型補償器失效原因分析［J］.化工設備與管道，2010，47(1):65-68.