膨脹節(jié)補(bǔ)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(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)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(jì)效益，更為保護(hù)人類的生存環(huán)境、保障經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。余熱發(fā)電技術(shù)在鋼鐵、水泥等行業(yè)的應(yīng)用，主要是利用原生產(chǎn)工藝流程中的余熱廢氣，通過熱風(fēng)管道將熱源輸送到鍋爐產(chǎn)生蒸汽，進(jìn)行發(fā)電。因受限于原生產(chǎn)線的場(chǎng)地、空間條件，熱風(fēng)管道的布置繁簡(jiǎn)各異。同時(shí)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(yùn)行的關(guān)鍵。

2 膨脹節(jié)設(shè)計(jì)資料

2.1 膨脹節(jié)設(shè)計(jì)條件

某余熱發(fā)電項(xiàng)目SP鍋爐入口膨脹節(jié)，直徑為DN2600，介質(zhì)為含水泥生料粉塵廢氣，設(shè)計(jì)壓強(qiáng)：10kPa，設(shè)計(jì)溫度：300℃；軸向補(bǔ)償量：60mm，橫向補(bǔ)償量：60mm；產(chǎn)品總長L=950mm；膨脹節(jié)旁滑動(dòng)支架埋件允許載荷為10t。

2.2 膨脹節(jié)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)制造結(jié)構(gòu)圖

DN2600EJ01小拉桿軸橫向型膨脹節(jié)的設(shè)計(jì)按照膨脹節(jié)設(shè)計(jì)條件進(jìn)行，沒有考慮剛度及疲勞壽命的影響，原膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)圖

原生產(chǎn)線煙風(fēng)管道為DN3000垂直安裝，節(jié)點(diǎn)10及節(jié)點(diǎn)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(diǎn)處引入45°斜三通作為取風(fēng)點(diǎn)，在DN2600煙風(fēng)斜管上安裝有電動(dòng)百葉閥、DN2600膨脹節(jié)、滑動(dòng)支架、135°彎頭等，最終到SP鍋爐進(jìn)口。原管道膨脹節(jié)及支架布置見圖2。

3 膨脹節(jié)補(bǔ)償及支架脫空失效分析

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

按照膨脹節(jié)設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)選用的小拉桿軸橫向型膨脹節(jié)波紋管重新設(shè)計(jì)校核，經(jīng)理論計(jì)算表明，膨脹節(jié)波紋管的承壓強(qiáng)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(fēng)管道垂直向上熱膨脹，引起SP鍋爐入口煙風(fēng)斜管向上被拉起約60mm，使滑動(dòng)支架與支座脫離。

參照膨脹節(jié)設(shè)計(jì)條件及圖2管道膨脹節(jié)及支架布置圖，采用CAESARⅡV2016軟件對(duì)整條管線進(jìn)行應(yīng)力分析，原方案應(yīng)力分析模型見圖3；各節(jié)點(diǎn)熱位移見表1，150節(jié)點(diǎn)受力見表2。

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

表1中，150節(jié)點(diǎn)為滑動(dòng)支架，節(jié)點(diǎn)熱位移Dy=71.364mm；表2中，150節(jié)點(diǎn)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(fēng)斜管較長，其管線橫向柔性較好，使得膨脹節(jié)失去補(bǔ)償作用，煙風(fēng)斜管自然補(bǔ)償，使135°彎頭變形較大，150節(jié)點(diǎn)處滑動(dòng)支架脫空60mm，管線運(yùn)行產(chǎn)生的問題與理論分析的結(jié)果基本一致。

表1 各節(jié)點(diǎn)熱位移情況

表2 150節(jié)點(diǎn)受力情況

圖3 原方案管線應(yīng)力分析模型

4 改進(jìn)措施

4.1 膨脹節(jié)設(shè)計(jì)改進(jìn)措施

膨脹節(jié)經(jīng)重新設(shè)計(jì)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(jìn)后膨脹節(jié)制造結(jié)構(gòu)圖見圖4。

4.2 滑動(dòng)支架脫空改進(jìn)措施

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

圖4 改進(jìn)后膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)圖

將改進(jìn)后的膨脹節(jié)及導(dǎo)向支架按照?qǐng)D5采用CAESARⅡV2016軟件重新進(jìn)行管線應(yīng)力分析，應(yīng)力分析模型見圖6；各節(jié)點(diǎn)熱位移情況見表3，150節(jié)點(diǎn)受力情況見表4。

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

圖5 改進(jìn)后管道膨脹節(jié)及支架布置

表3 各節(jié)點(diǎn)熱位移情況

表4 150節(jié)點(diǎn)受力情況

表4中，150節(jié)點(diǎn)導(dǎo)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(jìn)后管線應(yīng)力分析模型

5 結(jié)語

該余熱發(fā)電項(xiàng)目SP鍋爐入口煙風(fēng)管道經(jīng)短期整改后，運(yùn)行至今一年多來，一切正常。管系設(shè)計(jì)者在進(jìn)行管系設(shè)計(jì)及波紋膨脹節(jié)選型時(shí)，應(yīng)特別注重膨脹節(jié)各項(xiàng)參數(shù)的準(zhǔn)確性，包括合理的膨脹節(jié)安裝長度、補(bǔ)償量、剛度、疲勞壽命、材質(zhì)等，以及與所選膨脹節(jié)相配套的合理支架類型，確保整個(gè)管系安全可靠、長期穩(wěn)定運(yùn)行。