预热器膨胀节大变形的检测及原因分析

国宏斌 周华

摘要：膨胀节应用在预热器中可大大降低因温差产生的轴向力，改善管板、壳体、换热管等构件的受力情况。在预热器现场检验中，针对膨胀节出现的大变形，检测了膨胀节的实际变形量和管板、支座及相关管道，并进行了应力分析和数值模拟，确定了相关部位的应力水平和膨胀节的使用寿命，提出了安全运行建议。

关键词：预热器;膨胀节;变形;应力分析

1  故障概述

2014年5月，在定期檢验中，发现预热器膨胀节发生严重变形。可以看出膨胀节上部的导向拉杆已经拉脱并弯曲变形，下部的拉杆完好;根据现场膨胀节位移测量发现，膨胀节的轴向位移已经超过设计图样的规定值，存在安全隐患。

2  案例分析及技术路线

该膨胀节位于换热器北侧靠近端部位置，换热器南侧有两个裙座支撑，北侧靠端部连有物料管道却无有效支撑，形成悬臂梁。初步分析为：该设备及相连管道自重、振动因素是造成膨胀节变形的主要原因。针对设备目前使用状况，由南京工业大学、江苏省特种设备安全监督检验研究院（简称江苏省特检院）商定，采用相关技术检测路线，进而给出科学有效的评价结果。

3 膨胀节的应力分析和疲劳寿命计算

3.1 膨胀节主要技术参数

该膨胀节为单式轴向型，带均衡环。主要技术参数见表1。

3.2 膨胀节工作状态下的有限元分析

对换热器膨胀节进行工作压力和实际补偿位移下的有限元分析，即内压8.9MPa，轴向拉伸28mm，角向4.3°，拟确定结构的应力集中区域。结构的有限元模型如图2，从图2得知，换热器膨胀节最高von-mises应力、剪应力、主应力出现在内层波峰处。

3.3膨胀节工作状态下的疲劳寿命分析

膨胀节为柔性元件，主要承受拉力和位移产生的应力作用，其中位移产生的应力属于二次应力，具有自限性，如上述标准中的S5和S6，不需要进行强度校核，应力值大于3倍的许用应力时才对其进行疲劳计算。

疲劳寿命是波纹管工作性能的重要指标，其衡量的对应数据为标准中的综合应力St，具体公式为：

St=0.7（S3+S4）+S5+S6

其中位移产生的弯曲应力（GB16479-1997=1889.61，ASME Ⅷ 2013=1737.71，应力值/MPa），通常数值远大于屈服强度和拉伸强度。在有限元分析中，一般用等效综合应力来对应St，是考察波纹管疲劳性能的指标值。

根据上述2种标准计算得膨胀节在日常工况中的疲劳寿命分别为466、559次，远低于额定寿命5000次。

4 结论及建议

根据上述分析，可得以下结论：

1、宏观检查结果表明，膨胀节结构表面质量良好，无肉眼可见裂纹;

2、壁厚和位移测量结果表明，膨胀节外层壁厚均匀，测量结果未见异常，但膨胀节在开工前后发生了轴向和平面变形，超过了设计允许的-54mm;

3、无损（PT）结果表明，支座角焊缝、膨胀节连接处环焊缝、管子-管板接头未发现缺陷显示;

4、有限元结算结果表明，内层波峰处为应力集中区域。原因为，开车后管线热变形以及内部介质的重量是导致管线端部在垂直方向出现较大位移，并进而导致膨胀节发生向下较大变形。

5、按GB16794-1997，ASME Ⅷ 2013标准校核，工作工况下膨胀节的疲劳寿命远低于额定疲劳寿命;

根据以上检测及分析结果，江苏省特检院、南京工业大学出具合于使用评价报告，并给出以下建议：

一是该设备尽早更换或维修，并增加保护措施，运行过程中禁止无关人员靠近;二是缩短检验周期，检验周期不超过3年;三是建立事故应急预案，定期巡检制度，监控变形是否加剧，有效降低预热器风险;四是进行年度检验，除规程要求检验的项目外，重点检查膨胀节的变形、管子-管板接头外观。