預熱器膨脹節(jié)大變形的檢測及原因分析

國宏斌 周華

摘要：膨脹節(jié)應用在預熱器中可大大降低因溫差產(chǎn)生的軸向力，改善管板、殼體、換熱管等構(gòu)件的受力情況。在預熱器現(xiàn)場檢驗中，針對膨脹節(jié)出現(xiàn)的大變形，檢測了膨脹節(jié)的實際變形量和管板、支座及相關(guān)管道，并進行了應力分析和數(shù)值模擬，確定了相關(guān)部位的應力水平和膨脹節(jié)的使用壽命，提出了安全運行建議。

關(guān)鍵詞：預熱器;膨脹節(jié);變形;應力分析

1 ?故障概述

2014年5月，在定期檢驗中，發(fā)現(xiàn)預熱器膨脹節(jié)發(fā)生嚴重變形?？梢钥闯雠蛎浌?jié)上部的導向拉桿已經(jīng)拉脫并彎曲變形，下部的拉桿完好;根據(jù)現(xiàn)場膨脹節(jié)位移測量發(fā)現(xiàn)，膨脹節(jié)的軸向位移已經(jīng)超過設計圖樣的規(guī)定值，存在安全隱患。

2 ?案例分析及技術(shù)路線

該膨脹節(jié)位于換熱器北側(cè)靠近端部位置，換熱器南側(cè)有兩個裙座支撐，北側(cè)靠端部連有物料管道卻無有效支撐，形成懸臂梁。初步分析為：該設備及相連管道自重、振動因素是造成膨脹節(jié)變形的主要原因。針對設備目前使用狀況，由南京工業(yè)大學、江蘇省特種設備安全監(jiān)督檢驗研究院（簡稱江蘇省特檢院）商定，采用相關(guān)技術(shù)檢測路線，進而給出科學有效的評價結(jié)果。

3 膨脹節(jié)的應力分析和疲勞壽命計算

3.1 膨脹節(jié)主要技術(shù)參數(shù)

該膨脹節(jié)為單式軸向型，帶均衡環(huán)。主要技術(shù)參數(shù)見表1。

3.2 膨脹節(jié)工作狀態(tài)下的有限元分析

對換熱器膨脹節(jié)進行工作壓力和實際補償位移下的有限元分析，即內(nèi)壓8.9MPa，軸向拉伸28mm，角向4.3°，擬確定結(jié)構(gòu)的應力集中區(qū)域。結(jié)構(gòu)的有限元模型如圖2，從圖2得知，換熱器膨脹節(jié)最高von-mises應力、剪應力、主應力出現(xiàn)在內(nèi)層波峰處。

3.3膨脹節(jié)工作狀態(tài)下的疲勞壽命分析

膨脹節(jié)為柔性元件，主要承受拉力和位移產(chǎn)生的應力作用，其中位移產(chǎn)生的應力屬于二次應力，具有自限性，如上述標準中的S5和S6，不需要進行強度校核，應力值大于3倍的許用應力時才對其進行疲勞計算。

疲勞壽命是波紋管工作性能的重要指標，其衡量的對應數(shù)據(jù)為標準中的綜合應力St，具體公式為：

St=0.7（S3+S4）+S5+S6

其中位移產(chǎn)生的彎曲應力（GB16479-1997=1889.61，ASME Ⅷ 2013=1737.71，應力值/MPa），通常數(shù)值遠大于屈服強度和拉伸強度。在有限元分析中，一般用等效綜合應力來對應St，是考察波紋管疲勞性能的指標值。

根據(jù)上述2種標準計算得膨脹節(jié)在日常工況中的疲勞壽命分別為466、559次，遠低于額定壽命5000次。

4 結(jié)論及建議

根據(jù)上述分析，可得以下結(jié)論：

1、宏觀檢查結(jié)果表明，膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)表面質(zhì)量良好，無肉眼可見裂紋;

2、壁厚和位移測量結(jié)果表明，膨脹節(jié)外層壁厚均勻，測量結(jié)果未見異常，但膨脹節(jié)在開工前后發(fā)生了軸向和平面變形，超過了設計允許的-54mm;

3、無損（PT）結(jié)果表明，支座角焊縫、膨脹節(jié)連接處環(huán)焊縫、管子-管板接頭未發(fā)現(xiàn)缺陷顯示;

4、有限元結(jié)算結(jié)果表明，內(nèi)層波峰處為應力集中區(qū)域。原因為，開車后管線熱變形以及內(nèi)部介質(zhì)的重量是導致管線端部在垂直方向出現(xiàn)較大位移，并進而導致膨脹節(jié)發(fā)生向下較大變形。

5、按GB16794-1997，ASME Ⅷ 2013標準校核，工作工況下膨脹節(jié)的疲勞壽命遠低于額定疲勞壽命;

根據(jù)以上檢測及分析結(jié)果，江蘇省特檢院、南京工業(yè)大學出具合于使用評價報告，并給出以下建議：

一是該設備盡早更換或維修，并增加保護措施，運行過程中禁止無關(guān)人員靠近;二是縮短檢驗周期，檢驗周期不超過3年;三是建立事故應急預案，定期巡檢制度，監(jiān)控變形是否加劇，有效降低預熱器風險;四是進行年度檢驗，除規(guī)程要求檢驗的項目外，重點檢查膨脹節(jié)的變形、管子-管板接頭外觀。