膨脹節失效分析與改進

陳龍

摘 要： 膨脹節又是一個比較特殊的受力結構，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，它還應具備一定的穩定性和疲勞壽命。因此，膨脹節的設計、選材、制造、試驗等不同于一般的壓力容器和管件等剛性結構件，而有其本身的獨特性和復雜性，它的設計必須遵循一定的規范和標準。同時要求，凡設計、選用、制造、安裝膨脹節的人員，都應當了解和掌握有關膨脹節的基礎知識，以便在工程中更好的應用它。

關鍵詞： 膨脹節； 分析；改進；金屬疲勞

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

一.概述：空冷屬于換熱設備。空冷在使用服役中，由于各種原因可能發生這樣或那樣的損壞和損傷，使之不能保證設備的安全運行；有時由于使用條件的變更需要對設備進行局部改造。如果一旦如此，就更換設備，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，對于可以進行修理和改造，在保證設備安全運行的前提下，進行局部修理和改造還是有相當現實意義的。空冷入口管線采用豎管結構，工藝作用十分重要。空冷由于管程入口溫度高，管程入口管段設置了一個波形補償器。波形補償器（又稱波形膨脹節）是現代受熱管網和設備進行熱補償的關鍵部件之一，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。膨脹節之所以受到工程人員的特別關注，主要是它的應用日趨廣泛，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。膨脹節又是一個比較特殊的受力結構，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，它還應具備一定的穩定性和疲勞壽命。

二.國內外研究現狀

膨脹節的研究需要標準來進行產品設計和產品質量控制，我國五六十年代時期在石化、電力、冶金、造船、宇航等行業已有了不完整的膨脹節標準，大多是引用國外的標準，且大部分為原蘇聯的標準。到了80年代，我國參照國外先進工業國家的標準，根據我國國情也陸續制訂了一大批自己的標準。

國內膨脹節常用標準有：GB/T 12777 《金屬波紋管膨脹節通用技術條件》；GB/T 16749 《壓力容器波形膨脹節》；GB/T 12522 《不銹鋼波形膨脹節》（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》；GB/T 12777 《金屬波紋管膨脹節通用技術條件》中，對各種形式膨脹節術語、定義的表達包括：結構、主要位移形式、受力約束件功能、用途等內容；規定的產品分類按產品形式和規格兩種技術特性劃分；設計部分包括波紋管和結構件的設計；另外對選材、制造、檢驗與實驗方法也有詳細的規定。GB/T 16749-97 《壓力容器波形膨脹節》是在GB 150-89 《鋼制壓力容器附錄E，U形膨脹節計算》和JB1121-83 《波形膨脹節》標準的基礎上，結合壓力容器和化工機械與設備行業的特點，參照美國EJMA等國外標準和國內相關標準，并吸收國內近幾年膨脹節科研、制造與檢驗技術以及設計、制造、質量控制等方面的成果與實踐，經修改、補充而形成的，是較為完整的綜合產品標準。該標準規定了金屬波紋管膨脹節的設計、制造、檢驗、驗收、貯存、安裝及基本參數與尺寸等。

三.膨脹節失效分析

3.1波紋管膨脹節作為一種管道補償元件，在石油、機械工程、壓力傳感、剛度補償等領域被廣泛地應用。其作用是在管網中的設備與管路、設備與設備之間的連接中起補償作用。波紋膨脹節以它的軸向伸縮或角度變化來補償管路系統或設備因溫差造成的位移。波紋膨脹節的核心元件--波紋管是柔性的，承受管內介質壓力產生的波紋管壓力推力、管線和介質的重量、流體沖擊力、補償冷熱應力，為設備的安全運行提供有力的保障。

3.2膨脹節的主要性能指標有補償量、軸向剛度、耐壓強度、穩定性及疲勞壽命等，而這些性能指標在不同工作環境所表現的重要程度是不同的。在一般情況下，波紋管的設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力為，由內壓引起的應力和由筒體與管子的溫度差使筒體軸向產生伸縮位移而引起的應力。這兩種應力可分為軸向應力（又稱經向應力）和環向應力（又稱周向應力）。對固定空冷入口管上的膨脹節，一般要求軸向剛度盡可能小。

3.3波紋管膨脹節失效主要有：強度破壞、失穩破壞、腐蝕破壞、疲勞破壞、高溫蠕變破壞等。塔頂回流產物經空冷冷卻，空冷入口管線采用豎管結構，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：管程進口/出口為200/45℃。為了吸收并消除入口高溫熱應力產生的熱位移，在空冷入口管線上設置了一個波形補償器。在管程入口管線膨脹節實際形成自由端，當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軸向偏離。在停工時檢查發現空冷入口膨脹節損壞。裝置開工時，由于物料不斷加熱升溫，管線上膨脹節為自由端，溫差應力使接管、膨脹節整體向自由端位移，也存在膨脹節由于受熱發生彈性變形，當變形超過比例極限或彈性極限后，即產生塑性變形；當由開工轉入停工階段，膨脹節發生塑性變形不能完全恢復到初始狀態，使膨脹節內部產生拉應力，這時膨脹節很可能已處于塑性變形階段。隨著停工的時間間隔，產生的拉應力由于時效關系幾乎消失殆盡。再次開停工時仍然出現上述變形，這樣頻繁開停工造成膨脹節完全被拉伸。膨脹節可能已發生局部疲勞損傷，再經過后續開停工交變載荷的作用，這樣膨脹節受到拉、壓應力，超過膨脹節材料的強度極限，引起塑性和疲勞破裂。另外膨脹節結構、型號不當，造成膨脹節發生扭轉、彎曲變形，受拉伸、扭轉、彎曲載荷的作用，膨脹節所受應力超過失穩許用應力，膨脹節失穩彎曲，這種偏拉伸，偏壓縮更加重了膨脹節破裂的可能性。

四.改進措施

4.1.增加附件。

對膨脹節增加導向節、主固定支座及大拉桿，相當于兩端鉸支，可增強膨脹節周向、徑向薄膜應力造成的許用屈服強度，有效地控制膨脹節的失穩破壞，提高整個波紋管的剛度及穩定性。在膨脹節內加導流筒，盡量避免波紋管受沖刷，以延長膨脹節的安全壽命。工作拉桿應有足夠的強度，能承受最大內壓推力作用，不能發生較大變形，以免失去限制作用，所以應向制造廠商提供最大承受拉力值。導流筒設計 應按 GB/T 12777《金屬波紋管膨脹節通用技術條件》規定執行。

4.2.單層改為多層。

傳統意義上多層波紋管一般用在滿足強度和疲勞壽命設計中，它與單層波紋管相比，可以有更大的變形補償能力與強度，并能減小膨脹節的剛度，降低其波峰、波谷的表面應力值。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向薄膜應力和位移引起的經向彎曲應力均要降低，因此多層結構的疲勞壽命比單層結構有所提高。

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

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失效的不可預見問題。雙層波紋管的每一層都可獨立承受工作介質的壓力，且在層間加設報警裝置。當內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構，不過設備采購價格會提高。

4.3.改變波形。

用曲率小、應力小的大波形代替曲率大、應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。因為這種技術可改善波紋管內壁的表面質量，降低波紋管的殘余應力，有利于提高材料的抗點蝕和應力腐蝕能力。

4.5.預應變措施。

采用適當的預應變措施。將U形膨脹節預先適當的壓縮，可以大大降低其工作應力，從而提高膨脹節的疲勞壽命。因為在適當的伸縮范圍內.膨脹節的疲勞壽命與該膨脹節的 （總伸縮量/總額定伸縮量）5次方成反比，如果通過預伸縮來降低膨脹節在工作時的伸縮量，則直到基本伸縮量的50%范圍內，每降低10%，就可使壽命提高一倍。從而達到使膨脹節的使用壽命提高的目的。

4.6.改變材料。

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

五.制造中注意的問題

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

六.結論

實際生產中，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，都會對膨脹節造成不同程度的損壞。最后，參考其他煉廠針對膨脹節失效的解決方法，膨脹節的失效原因，從增加附件、單層改多層、改變膨脹節波形、制造方法、安裝方法、選材等方面提出了改進措施，膨脹節使用壽命得到了有效的延長。

參考文獻

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