膨脹節(jié)補償及支架脫空失效的原因分析

楊勝昆

1 前言

隨著余熱發(fā)電技術的不斷發(fā)展和進步，鋼鐵、水泥等行業(yè)的余熱綜合利用水平顯著提高，不僅給企業(yè)帶來了經(jīng)濟效益，更為保護人類的生存環(huán)境、保障經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展做出了重要貢獻。余熱發(fā)電技術在鋼鐵、水泥等行業(yè)的應用，主要是利用原生產(chǎn)工藝流程中的余熱廢氣，通過熱風管道將熱源輸送到鍋爐產(chǎn)生蒸汽，進行發(fā)電。因受限于原生產(chǎn)線的場地、空間條件，熱風管道的布置繁簡各異。同時受溫度的影響，必然存在管線熱膨脹變形的情況，因此，正確選用波紋膨脹節(jié)是保證生產(chǎn)工藝流程和余熱發(fā)電系統(tǒng)正常運行的關鍵。

2 膨脹節(jié)設計資料

2.1 膨脹節(jié)設計條件

某余熱發(fā)電項目SP鍋爐入口膨脹節(jié)，直徑為DN2600，介質為含水泥生料粉塵廢氣，設計壓強：10kPa，設計溫度：300℃；軸向補償量：60mm，橫向補償量：60mm；產(chǎn)品總長L=950mm；膨脹節(jié)旁滑動支架埋件允許載荷為10t。

2.2 膨脹節(jié)設計參數(shù)

該膨脹節(jié)選用小拉桿軸橫向型膨脹節(jié)，接口尺寸為?2 620mm×6.0mm，波距80mm，波高80mm，壁厚1.5mm×1層，波數(shù)：2波/節(jié)×2節(jié)；中間接管長350mm，端接管長140mm，產(chǎn)品總長950mm；整體軸向剛度776N/mm，整體橫向剛度12 301N/mm；波紋材料06Cr19Ni10，接管材料為Q345B。

2.3 膨脹節(jié)設計制造結構圖

DN2600EJ01小拉桿軸橫向型膨脹節(jié)的設計按照膨脹節(jié)設計條件進行，沒有考慮剛度及疲勞壽命的影響，原膨脹節(jié)結構圖見圖1。

2.4 管道膨脹節(jié)及支架布置

圖1 原膨脹節(jié)結構圖

原生產(chǎn)線煙風管道為DN3000垂直安裝，節(jié)點10及節(jié)點70為固定支架，兩固定支架間原安裝有DN3000軸向型膨脹節(jié)，從40節(jié)點處引入45°斜三通作為取風點，在DN2600煙風斜管上安裝有電動百葉閥、DN2600膨脹節(jié)、滑動支架、135°彎頭等，最終到SP鍋爐進口。原管道膨脹節(jié)及支架布置見圖2。

3 膨脹節(jié)補償及支架脫空失效分析

某水泥廠余熱發(fā)電項目，SP鍋爐入口煙風斜管及小拉桿膨脹節(jié)、滑動支架等部件，在停窯期間安裝完畢。當水泥窯啟動至正常生產(chǎn)狀態(tài)時，現(xiàn)場工程師檢查發(fā)現(xiàn)，DN2600EJ01膨脹節(jié)幾乎沒有補償，失去橫向補償作用；鍋爐入口上端135°彎頭有較大變形；節(jié)點150處滑動支架與支座脫離，脫空大約50～60mm。

按照膨脹節(jié)設計參數(shù)，對選用的小拉桿軸橫向型膨脹節(jié)波紋管重新設計校核，經(jīng)理論計算表明，膨脹節(jié)波紋管的承壓強度及穩(wěn)定性均滿足要求，但波紋管的橫向剛度較大。

圖2 原管道膨脹節(jié)及支架布置

由于與SP鍋爐入口連接的原生產(chǎn)線煙風管道垂直向上熱膨脹，引起SP鍋爐入口煙風斜管向上被拉起約60mm，使滑動支架與支座脫離。

參照膨脹節(jié)設計條件及圖2管道膨脹節(jié)及支架布置圖，采用CAESARⅡV2016軟件對整條管線進行應力分析，原方案應力分析模型見圖3；各節(jié)點熱位移見表1，150節(jié)點受力見表2。

表1中，110-120節(jié)點為膨脹節(jié)中間接管，Rz=0.354 2°，中間接管幾乎沒有轉動，膨脹節(jié)沒有發(fā)生橫向位移；158節(jié)點為135°彎頭，Rz=0.178 7°，彎頭產(chǎn)生轉動變形。

表1中，150節(jié)點為滑動支架，節(jié)點熱位移Dy=71.364mm；表2中，150節(jié)點在操作OPE熱態(tài)工況下Fx=0，F(xiàn)y=0。

從表1、表2可以看出，由于膨脹節(jié)整體橫向剛度12 301N/mm較大，SP鍋爐入口煙風斜管較長，其管線橫向柔性較好，使得膨脹節(jié)失去補償作用，煙風斜管自然補償，使135°彎頭變形較大，150節(jié)點處滑動支架脫空60mm，管線運行產(chǎn)生的問題與理論分析的結果基本一致。

表1 各節(jié)點熱位移情況

表2 150節(jié)點受力情況

圖3 原方案管線應力分析模型

4 改進措施

4.1 膨脹節(jié)設計改進措施

膨脹節(jié)經(jīng)重新設計制造修改為?2 620mm×6.0mm，波距80mm，波高80mm，壁厚0.8mm×2層，波數(shù)：3波/節(jié)×2節(jié)；中間接管長540mm，端接管長140mm，產(chǎn)品長度修改為1 300mm；則整體軸向剛度175N/mm，整體橫向剛度1 122N/mm，疲勞壽命N=1 150次；改進后膨脹節(jié)制造結構圖見圖4。

4.2 滑動支架脫空改進措施

因SP鍋爐入口煙風管道沿45°傾斜安裝，為確保煙風斜管工作穩(wěn)定，將滑動支架修改為沿圓周方向的導向支架（即GB/T 17116.2中雙向限位支架），導向支架間隙為2mm。改進后管道膨脹節(jié)及支架布置見圖5。

圖4 改進后膨脹節(jié)結構圖

將改進后的膨脹節(jié)及導向支架按照圖5采用CAESARⅡV2016軟件重新進行管線應力分析，應力分析模型見圖6；各節(jié)點熱位移情況見表3，150節(jié)點受力情況見表4。

表3中110-120節(jié)點為膨脹節(jié)中間接管，Rz=3.722 4°，158節(jié)點為135°彎頭，Rz=0.011 9°。

圖5 改進后管道膨脹節(jié)及支架布置

表3 各節(jié)點熱位移情況

表4 150節(jié)點受力情況

表4中，150節(jié)點導向支架在操作OPE熱態(tài)工況下Fx=26 047N，F(xiàn)y=26 047N，合力F=36 836N，滿足支架埋件載荷10t要求。

圖6 改進后管線應力分析模型

5 結語

該余熱發(fā)電項目SP鍋爐入口煙風管道經(jīng)短期整改后，運行至今一年多來，一切正常。管系設計者在進行管系設計及波紋膨脹節(jié)選型時，應特別注重膨脹節(jié)各項參數(shù)的準確性，包括合理的膨脹節(jié)安裝長度、補償量、剛度、疲勞壽命、材質等，以及與所選膨脹節(jié)相配套的合理支架類型，確保整個管系安全可靠、長期穩(wěn)定運行。