低溫容器排放管路波紋補償器的失效分析

駱青業，張斐，宋健，陳建軍

（北京航天試驗技術研究所，北京 100074）

低溫容器排放管路波紋補償器的失效分析

駱青業，張斐，宋健，陳建軍

（北京航天試驗技術研究所，北京 100074）

某液氧容器排放管路采用波紋補償器補償操作狀態下容器的收縮變形。但是，在使用過程中發生了波紋補償器拉伸變形失效，螺母脫落現象。通過分析補償器失效的原因，提出了改進措施，滿足了工程應用。

低溫容器；管路；波紋補償器；失效

0 引言

熱力和低溫管道系統中經常采用自然補償或者波紋補償器適應管路的變形。在安裝空間限制的條件下，只能采用波紋補償器方案。波紋補償器主要利用自身的彈性變形，補償管道由于溫度變形、機械變形和各種機械振動而產生的軸向、角向、側向及其組合位移［1，2］。

由于補償器可靠性是通過設計、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其壽命的降低，甚至失效。因此，正確地選擇波紋補償器的材料和結構、合理設計波形參數和疲勞壽命、保證安裝質量等措施，能大大提高補償器的安全使用。波紋補償器失效也是工程應用過程中經常出現的現象［3～5］。

1 波紋補償器的應用

1.1應用背景

某30m3液氧容器采用的是高真空多層絕熱設計方案，設計壓力4MPa。如圖1所示，管口A為液氧排放接口，需要連接排放管路。分析容器設計形式及管口結構，當容器填充液氧介質的情況下，容器整體收縮變形下移，管口A波紋管收縮，帶動管口下移，需要通過在排放管路上考慮補償。由于排放管路安裝空間有限，很難采用自然補償滿足操作工況，因此采用波紋補償器進行補償。計算容器充滿液氧狀態下的收縮量：

△L=α×L（t2-t1）

=14.79×10-6×9×（-183-20）× 103=-27.0mm

式中：△L—變形量（mm）；L—總高度（m）；α—金屬材料的線脹系數（/℃），查表根據內插法計算得到；t2—介質溫度（℃）；t1—初始溫度（℃）。

圖1　容器接口圖Fig.1 Vessel interface

1.2結構設計

選擇拉桿式軸向波紋補償器結構，材料選擇06Cr19Ni10奧氏體不銹鋼，與管路材質一致。公稱直徑DN165，端部接口尺寸φ175×5，設計壓力4MPa，設計溫度-183℃。其軸向剛度79.1kg/m，橫向剛度132.8kg/m，有效面積285cm2。其他相關參數如表1所示。

設計結構如圖2所示，波紋補償器總體尺寸長度470mm，補償波紋端部焊接一段直管，方便與管路進行焊接連接。每段直管焊接3個支耳，連接3條螺桿，即能承受一定的軸向力，又能防止搬運過程中對波紋的損壞。

表1　補償器參數Tab.1 Compensator parameters

圖2　設計結構圖Fig.2 Design structure

2 波紋補償器失效分析

根據安裝空間的大小，由于排泄氣動閥門位置固定，管路安裝受到了限制。需要在豎直以及水平方向上分別安裝波紋補償器來補償低溫工況下管路的收縮變形。

液氧容器排放管路系統如圖3所示。當氣動閥門打開時，進行液氧排放。由于閥門動作靈敏，反應時間短，排泄反力相當大。A處波紋補償器發生失效，拉桿緊固件螺母脫落，致使補償器被拉伸170mm，并發生橫向失穩變形。隨后B處波紋管也發生了失效，拉桿螺母脫落，被軸向拉伸了70mm。最終，導致排放管路系統的破壞。

排放系統波紋補償器存在，使得管路系統處在一個自由無約束的狀態下。由于盲板力的存在，即管道彎頭處受到內壓推力與補償器彈性反力的共同作用。

圖3　排放管路系統Fig.3 Discharge pipeline system

F=Fp+Fm=A×P×102+K×△L=285×4×102+79.1×10×（-0.27）=113786.4N

其中：F—總受力（N）；Fp—內壓推力（N）；Fm—補償器彈性反力（N）；A—波紋管有效面積（cm2）；P—設計壓力（MPa）；K—補償器剛度。

補償器受拉伸過程中依靠3個M12的螺紋拉桿承受，每個拉桿受的拉應力為339MPa，遠超過了許用應力，發生螺紋失效。在內壓力的作用下補償器的波紋持續變形，直至失效。

3 改進措施

針對波紋管失效的原因，采取更換波紋管，并對波紋管以及系統進行改進。主要采取了以下措施：

（1）波紋管拉桿加粗，由原來的M12更換為M20，并采用雙螺母防松形式。

（2）在排放管路系統C處安裝固定支架，并在地面生根連接，分擔波紋補償器的受力。采用與鋼管材質相同的10mm厚鋼板加工成內圓外方型工裝，與管路套合焊接在一起。采用10#槽鋼焊接成門型支架，將工裝與地面鋼板連接在一起，如圖4所示。

圖4　支架圖Fig.4 Support figure

排放管路系統改進后，未發生波紋補償器再次失效的現象，滿足了操作狀態下的工程使用。

4 結束語

波紋補償器應用于補償管路系統變形中，效果明顯。但是，其結構設計以及系統支架設置至關重要，是保證補償器正常使用的前提。

［1］肖曉玲，況敏，林凱生.304不銹鋼波紋補償器失效分析［J］.材料研究與應用，2013，4.

［2］程永新.波紋管膨脹節在熱管道中破損原因分析及解決辦法［J］.電力建設，2011，12.

［3］原安崎，于振毅，耿志成.采用波紋補償器管道的應力計算與分析［J］.管道技術與設備，2005，4.

［4］田野.管道波紋補償器的受力分析［J］.冶金動力，2010，4.

［5］孫煥青，張珍年.應用波紋補償器的高溫管道的應力計算［J］.管道技術與設備，2014，3.

Failure Analysis of Bellows Compensator of Discharge Pipeline on Cryogenic Vessel

LUO Qing-Ye，ZHANG Fei，SONG Jian，CHEN Jian-Jun
（Beijing Institute of Aerospace Testing Technology，Beijing 100074，China）

The shrinkage deformation of discharge pipeline on liquid oxygen vessel was compensated to use bellows compensator in operation state.However，tensile deformation failure of the bellows compensator occurred in using，and the muffs fell off.By analyzing the failure reasons of compensator，it put forward the improvement measures to satisfy the engineering application.

cryogenic vessel；pipeline；bellows compensator；failure

TB47

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2015.02.009

1002-6673（2015）02-024-02

2015-02-25

駱青業（1985-），男，碩士，工程師。主要從事航天地面設備及壓力管道設計研究。