膨胀节失效分析与改进

陈龙

摘 要： 膨胀节又是一个比较特殊的受力结构，在使用中要求它既要有高的承压能力，又要有良好的柔性，这本身就是相对矛盾，此外，它还应具备一定的稳定性和疲劳寿命。因此，膨胀节的设计、选材、制造、试验等不同于一般的压力容器和管件等刚性结构件，而有其本身的独特性和复杂性，它的设计必须遵循一定的规范和标准。同时要求，凡设计、选用、制造、安装膨胀节的人员，都应当了解和掌握有关膨胀节的基础知识，以便在工程中更好的应用它。

关键词： 膨胀节； 分析；改进；金属疲劳

【中图分类号】 TQ052 【文献标识码】 A 【文章编号】 2236-1879（2018）11-0270-02

一.概述：空冷属于换热设备。空冷在使用服役中，由于各种原因可能发生这样或那样的损坏和损伤，使之不能保证设备的安全运行；有时由于使用条件的变更需要对设备进行局部改造。如果一旦如此，就更换设备，重新制造一台空冷，势必会造成极大的浪费。有时是运行条件所不允许的。为此，对于可以进行修理和改造，在保证设备安全运行的前提下，进行局部修理和改造还是有相当现实意义的。空冷入口管线采用竖管结构，工艺作用十分重要。空冷由于管程入口温度高，管程入口管段设置了一个波形补偿器。波形补偿器（又称波形膨胀节）是现代受热管网和设备进行热补偿的关键部件之一，除了位移补偿作用之外，还同时兼有减振降噪和密封的功能。膨胀节之所以受到工程人员的特别关注，主要是它的应用日趋广泛，航空航天、石化、化工、水利、电力、冶金和原子能等工业部门都要用到它，就是在机车、船舶等交通部门乃至高层建筑、民用大楼也少不了它。膨胀节又是一个比较特殊的受力结构，在使用中要求它既要有高的承压能力，又要有良好的柔性，这本身就是相对矛盾，此外，它还应具备一定的稳定性和疲劳寿命。

二.国内外研究现状

膨胀节的研究需要标准来进行产品设计和产品质量控制，我国五六十年代时期在石化、电力、冶金、造船、宇航等行业已有了不完整的膨胀节标准，大多是引用国外的标准，且大部分为原苏联的标准。到了80年代，我国参照国外先进工业国家的标准，根据我国国情也陆续制订了一大批自己的标准。

国内膨胀节常用标准有：GB/T 12777 《金属波纹管膨胀节通用技术条件》；GB/T 16749 《压力容器波形膨胀节》；GB/T 12522 《不锈钢波形膨胀节》（主要为船用）；JB 2388 《金属波纹管》；JB/T 6169 《金属波纹管》；JB/T 6171 《多层金属波纹膨胀节》；GB/T 12777 《金属波纹管膨胀节通用技术条件》中，对各种形式膨胀节术语、定义的表达包括：结构、主要位移形式、受力约束件功能、用途等内容；规定的产品分类按产品形式和规格两种技术特性划分；设计部分包括波纹管和结构件的设计；另外对选材、制造、检验与实验方法也有详细的规定。GB/T 16749-97 《压力容器波形膨胀节》是在GB 150-89 《钢制压力容器附录E，U形膨脹节计算》和JB1121-83 《波形膨胀节》标准的基础上，结合压力容器和化工机械与设备行业的特点，参照美国EJMA等国外标准和国内相关标准，并吸收国内近几年膨胀节科研、制造与检验技术以及设计、制造、质量控制等方面的成果与实践，经修改、补充而形成的，是较为完整的综合产品标准。该标准规定了金属波纹管膨胀节的设计、制造、检验、验收、贮存、安装及基本参数与尺寸等。

三.膨胀节失效分析

3.1波纹管膨胀节作为一种管道补偿元件，在石油、机械工程、压力传感、刚度补偿等领域被广泛地应用。其作用是在管网中的设备与管路、设备与设备之间的连接中起补偿作用。波纹膨胀节以它的轴向伸缩或角度变化来补偿管路系统或设备因温差造成的位移。波纹膨胀节的核心元件--波纹管是柔性的，承受管内介质压力产生的波纹管压力推力、管线和介质的重量、流体冲击力、补偿冷热应力，为设备的安全运行提供有力的保障。

3.2膨胀节的主要性能指标有补偿量、轴向刚度、耐压强度、稳定性及疲劳寿命等，而这些性能指标在不同工作环境所表现的重要程度是不同的。在一般情况下，波纹管的设计主要是以补偿能力为主要控制因素。一般，空冷入口管上波纹管的应力为，由内压引起的应力和由筒体与管子的温度差使筒体轴向产生伸缩位移而引起的应力。这两种应力可分为轴向应力（又称经向应力）和环向应力（又称周向应力）。对固定空冷入口管上的膨胀节，一般要求轴向刚度尽可能小。

3.3波纹管膨胀节失效主要有：强度破坏、失稳破坏、腐蚀破坏、疲劳破坏、高温蠕变破坏等。塔顶回流产物经空冷冷却，空冷入口管线采用竖管结构，工艺作用十分重要。该空冷由于管程入口温度较高，最高操作温度是：管程进口/出口为200/45℃。为了吸收并消除入口高温热应力产生的热位移，在空冷入口管线上设置了一个波形补偿器。在管程入口管线膨胀节实际形成自由端，当塔和空冷入口管线升温后，该竖管在塔升温后上升，管线受热膨胀后出现轴向偏离。在停工时检查发现空冷入口膨胀节损坏。装置开工时，由于物料不断加热升温，管线上膨胀节为自由端，温差应力使接管、膨胀节整体向自由端位移，也存在膨胀节由于受热发生弹性变形，当变形超过比例极限或弹性极限后，即产生塑性变形；当由开工转入停工阶段，膨胀节发生塑性变形不能完全恢复到初始状态，使膨胀节内部产生拉应力，这时膨胀节很可能已处于塑性变形阶段。随着停工的时间间隔，产生的拉应力由于时效关系几乎消失殆尽。再次开停工时仍然出现上述变形，这样频繁开停工造成膨胀节完全被拉伸。膨胀节可能已发生局部疲劳损伤，再经过后续开停工交变载荷的作用，这样膨胀节受到拉、压应力，超过膨胀节材料的强度极限，引起塑性和疲劳破裂。另外膨胀节结构、型号不当，造成膨胀节发生扭转、弯曲变形，受拉伸、扭转、弯曲载荷的作用，膨胀节所受应力超过失稳许用应力，膨胀节失稳弯曲，这种偏拉伸，偏压缩更加重了膨胀节破裂的可能性。

四.改进措施

4.1.增加附件。

对膨胀节增加导向节、主固定支座及大拉杆，相当于两端铰支，可增强膨胀节周向、径向薄膜应力造成的许用屈服强度，有效地控制膨胀节的失稳破坏，提高整个波纹管的刚度及稳定性。在膨胀节内加导流筒，尽量避免波纹管受冲刷，以延长膨胀节的安全寿命。工作拉杆应有足够的强度，能承受最大内压推力作用，不能发生较大变形，以免失去限制作用，所以应向制造厂商提供最大承受拉力值。导流筒设计 应按 GB/T 12777《金属波纹管膨胀节通用技术条件》规定执行。

4.2.单层改为多层。

传统意义上多层波纹管一般用在满足强度和疲劳寿命设计中，它与单层波纹管相比，可以有更大的变形补偿能力与强度，并能减小膨胀节的刚度，降低其波峰、波谷的表面应力值。由于多层波纹管每一层材料较薄，轴向位移引起的波纹管经向薄膜应力和位移引起的经向弯曲应力均要降低，因此多层结构的疲劳寿命比单层结构有所提高。

也可以用不同的材料制作波纹管的内层和外层，以适应管道的不同使用环境，尤其是在此类温度差较大的换热设备中，多层比单层波纹管有更多的优越性。

但近年来，国外在较重要的部位采用双层波纹管来解决膨胀节失效的不可预见问题。双层波纹管的每一层都可独立承受工作介质的压力，且在层间加设报警装置。当内层泄漏时报警装置会显示，提醒操作人员、检修部门定购备件，外层波纹管可继续使用，直到计划停工检修时再更换。在催化裂化装置中的重要部位可以考虑采用这种结构，不过设备采购价格会提高。

4.3.改变波形。

用曲率小、应力小的大波形代替曲率大、应力大的小波形制造波纹管。

4.4液压成形。

波纹管的制作方法有机械胀形、液压成形、焊接成形等。液压成形可以获得综合性能较好的波纹管，焊接成形可以获得弹性较好的波纹管。因为这种技术可改善波纹管内壁的表面质量，降低波纹管的残余应力，有利于提高材料的抗点蚀和应力腐蚀能力。

4.5.预应变措施。

采用适当的预应变措施。將U形膨胀节预先适当的压缩，可以大大降低其工作应力，从而提高膨胀节的疲劳寿命。因为在适当的伸缩范围内.膨胀节的疲劳寿命与该膨胀节的 （总伸缩量/总额定伸缩量）5次方成反比，如果通过预伸缩来降低膨胀节在工作时的伸缩量，则直到基本伸缩量的50%范围内，每降低10%，就可使寿命提高一倍。从而达到使膨胀节的使用寿命提高的目的。

4.6.改变材料。

波纹管膨胀节中的端管、中间管、法兰连接管等的材质应与该系统的管道材料相同或相近。在确定波纹管材质时，应考虑流动介质、外界环境和工作温度等因素。GB/T 12777标准中列出了波纹管的常用材料。应该说明的是，表中的材料并不表示在所列整个温度范围内均适于制作波纹管，具体采用何种材料应向膨胀节制造厂咨询后确定。对于可能出现的腐蚀（包括应力腐蚀）应予以特别考虑。

五.制造中注意的问题

膨胀节的疲劳寿命与膨胀节的制造质量、材料本身的质量密切相关，例如在制造中应尽量减少成型偏差，因为10%的厚度公差就会产生20%的压力弯曲应力变化，进而影响寿命。另外波峰波谷的曲率半径加大或减少均会改变设计应力水平，在材料上应注意表面质量.膨胀节表面不应有凹陷、划痕等影响寿命的因素。

六.结论

实际生产中，存在许多非正常工况，如水压试验、突然的停电造成短时间的超高温高压，都会对膨胀节造成不同程度的损坏。最后，参考其他炼厂针对膨胀节失效的解决方法，膨胀节的失效原因，从增加附件、单层改多层、改变膨胀节波形、制造方法、安装方法、选材等方面提出了改进措施，膨胀节使用寿命得到了有效的延长。

参考文献

[1] 选用金属波纹管膨胀节应注意的问题.2005，19（5）：9-12.

[2] 膨胀节在中温换热器上的应用及失效分析.压力容器，1996，17（8）：74-76.

[3] 炼油厂FCCU RFCCU中波纹管膨胀节的失效及对策.压力容器，2000，25（7）：55-61.