膨胀节补偿及支架脱空失效的原因分析

膨胀节补偿及支架脱空失效的原因分析

苏仲亮

核工业工程研究设计有限公司 北京 101300

摘要：目前，我国的经济在迅猛发展，社会在不断进步，分析某余热发电项目SP锅炉入口烟风管道运行时，波纹膨胀节补偿失效及支架脱空失效原因，认为管系中膨胀节各项参数的确定及支架类型的选用至关重要。通过管系应力分析，对膨胀节部分参数及支架的类型等进行了调整并取得成功。

关键词：水泥余热发电；膨胀节补偿失效；支架脱空失效

引言

美国EJMA标准不单对各种类型波纹膨胀节从材料、设计、工艺、检验、安装、调试、运行与介质影响等诸多方面做了详尽的叙述,而且对管道系统的构成原则、设计方法等提供了诸如受力、热胀冷缩、应力分析等具体资料和典型应用实例。遵循这一标准,国内已编出二十几种膨胀节的设计软件,同时有的单位也编出一些管系分段设计资料。一方面指导着膨胀节制造厂的设计与制造,另一方面在电力、石油、化工、冶金、建筑等行业中得到具体的应用。在十年的时间内,国内已从单纯的自然补偿和胀力弯、Ψ型弯等补偿方法中走出来,在管系中适当地使用各种类型膨胀节及金属软管,至今已取得或正在取得一些经验与成果,当然其中也有不少教训。我们百新集团,为适应这一形势,专门成立了技术开发中心和波纹管及管道技术研究所,近些年来又与质量检测机构和大专院校合作对波纹管的性能和设计与制造进行了深入实验研究。在此基础上,对各种管系的设计与膨胀节在具体管系中的合理应用,与设计院所相结合做了一些膨胀节到管系间的关联工作。在这一工作中发现,国内针对寿命这种综合性指标所做的工作多,而针对诸如受力分析、应力分析及补偿能力指标在管系中的合理分配所做工作较少。为此下面着重分析管系中膨胀节的补偿能力与管系的关系。

1波纹膨胀节的工作原理

波纹膨胀节是1个或数个有足够强度的薄壁波形管组成的1个弹性体。在不承受压力的情况下,与工业上的弹簧相似。每个波相当于1个弹簧,它有自身的刚度,刚度的大小取决于波的形状、尺寸和厚度;多个波时,相当于多个弹簧串联,其总刚度等于单波刚度除以波数。当波纹膨胀节受压时,因每个波形管2个端部各有1个垂直于管道轴线的受压面,这2个受压面相当2个管道盲板,所以膨胀节将产生很大的反力。根据美国EJMA标准,波纹膨胀节在工作状态下将对管道产生以下反力:FK=K×L,(1)………………FP=P×0.785Dm2　,(2)…………式中:FK——由波纹管刚度所产生的反力,N;FP——由于压力产生的反力,N;K——波纹膨胀节的刚度,N/mm;L——波纹管的变形量,mm;P——波纹管的工作压力,MPa;Dm——波纹管的平均直径,mm。以上2种反力中刚度反力可以是任何方向的,这决定于位移的方向。而压力反力永远是沿着管道轴向的。当然由于波纹膨胀节有许多附加机构来实现它的功能,这些附加机构可能会改变波纹膨胀节最终对管道反力的方向,但由于目前尚无准确的计算方法,因此制造厂一般还是遵照式(1)、式(2)。

2改进措施

2.1膨胀节设计改进措施

膨胀节经重新设计制造修改为ϕ2620mm×6.0mm，波距80mm，波高80mm，壁厚0.8mm×2层，波数：3波/节×2节；中间接管长540mm，端接管长140mm，产品长度修改为1300mm；则整体轴向刚度175N/mm，整体横向刚度1122N/mm，疲劳寿命N=1150次。

2.2轴向位移的补偿

一般情况下选用单式轴向型膨胀节、外压单式轴向型膨胀节、直管压力平衡型膨胀节。单式轴向型膨胀节结构简单,由一个波纹管及结构件组成、主要用于吸收轴向位移而不能承受波纹管压力推力的膨胀节。外压单式轴向型膨胀节由承受外压的波纹管及外管和端环等结构件组成、只用于吸收位移而不能承受波纹管压力推力的膨胀节。直管压力平衡型膨胀节由位于两端的两个工作波纹管和位于中间的一个平衡波纹管及拉杆和端板等结构件组成、主要用于吸收轴向位移并能承受波纹管压力推力的膨胀节。由于单式轴向型膨胀节结构简单,成本低,外形尺寸小,一般为优先选择对象;其次为外压单式轴向型膨胀节,因外压结构,波纹管比管道大一口径,压力推力比单式轴向型膨胀节要大,但对于介质为蒸汽的结构,外管可以开疏水孔。这两种结构不能承受压力推力,因此,设备口或固定架不仅要承受管道的摩擦力、膨胀节的轴向反力,还要承受波纹管的压力推力。直管压力平衡型膨胀节结构复杂,成本高,外形尺寸大,结构多样化。但其能承受压力推力,设备口或固定架仅需承受管道的摩擦力、膨胀节的轴向反力。

2.3国内新发展起来的复合式轴向型膨胀节及其补偿量在管系中的不确定性

近来年,国内出现了“轴向复式”或“复合式”膨胀节,有的称为“复式拉杆型”、“复式套筒型”、“复式无约束型”轴向膨胀节。它的特征是补偿量大,具有抗柱失稳结构。总之,无论是设于套筒内或是串于拉杆间,它们的实质,都是由两只、三只、四只甚至还有多达六只单式轴向型膨胀节充分接近而串联应用。这样可以增加补偿量,使得直线管段加长,减少主固定支架和中间固定支架的数量,很受欢迎。实际上,任何一个波纹管,它的波与波的连结也是弹性体的串联,所不同的只是各个波的制造条件、材料、操作是符合独立重复条件的,因此性能差别较小。但是在补偿变形中,波与波间变形的均匀性以及平面失稳发生位置的偶然性,特别是将波纹管压合成无间隙状态的过程中,各个波在变形后期差别特别大,这都说明是串联的结果。对高压场合EJMA标准推荐采用铠装环式膨胀节,其中原因之一就是考虑到波与波的这种弹性体串联,加铠装后不但提高耐压强度,同时又控制各个波补偿变形总量的一致性,并增加抗失稳能力,所以该铠装环也叫稳定环。鉴于此,膨胀节补偿量不确定管系中,只要在弹性体间(膨胀节间)结构上采取如下措施,它就变成了膨胀节补偿量确定管系。

2.4铰链式膨胀节

铰链式膨胀节一般以两、三个作为一组使用,用于吸收单平面管系中一个或多个方向的横向位移。在这种系统中每一个膨胀节被它的铰链所制约,产生纯角位移;然而,被管段分开的每对铰链式膨胀节互相配合,能够吸收横向位移。给定单个膨胀节的角位移。每对铰链式膨胀节所能吸收的横向位移与其铰链销轴之间的距离成正比,因此为了使膨胀节充分发挥效用,应尽量加大这一距离。膨胀节的铰链通常用于承受作用于膨胀节上的全部压力推力;另外,也可以用于承受管道和设备的重量、风载或类似的外力。如果单平面管系的柔性不足以吸收双铰系统的弯曲挠度,或者由弯曲而产生的载荷超过了连接设备的许用极限,则可采用具有三个铰链式膨胀节的系统。

结语

该余热发电项目SP锅炉入口烟风管道经短期整改后，运行至今一年多来，一切正常。管系设计者在进行管系设计及波纹膨胀节选型时，应特别注重膨胀节各项参数的准确性，包括合理的膨胀节安装长度、补偿量、刚度、疲劳寿命、材质等，以及与所选膨胀节相配套的合理支架类型，确保整个管系安全可靠、长期稳定运行。

参考文献

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