压力容器用膨胀节疲劳失效分析及对策

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波形膨胀节(belows expansion ioint)又称波形补偿器，其是由波纹管和其他零件组成。其中，波纹管是-柔性件，膨胀节的补偿性能基本是由波纹管决定的。波纹管按波形分类，常用波形有u形、Q形、s形等，通常容器上使用的大多为u形波纹管。

天脊集团的生产装置经过二十多年的运行、生产，多数设备早已超出设计使用年限，潜在的安全隐患也逐渐暴露出来，为了保持装置的正常运转，避免停车事故的出现，需要及时对老化的设备进行维修、更换。波形膨胀节作为在部分容器及换热器上使用的重要零部件，用于补偿由于热膨胀引起的位移，它的安全使用直接决定着容器设备的正常运转，但膨胀节的使用寿命比较短暂，因为作为补偿元件，膨胀节中的波纹管在超过其材料的屈服极限的高应力下工作，波纹管每变位- 次，都不能恢复其原来的自由长度而有残余变形存在，这样的往复循环，残余变形积累到-定程度，波纹管就会发生破坏，它的寿命也就会随即终止。

天脊复肥厂 P-EA107(NP蒸发器)膨胀节现阶段已经发生疲劳破坏，造成设备内蒸汽外泄，泄漏部位主要发生在由两半波零件焊接构成的波纹管的波峰焊接连接处，虽然蒸汽泄漏量不大，设备还能勉强维持运转，但由于波纹管已经遭受破坏 ，补偿能力部分丧失，造成设备压力损失，若不及时处理，可能会损坏设备其他关键部位，导致更加严重的后果，同时显现出来的安全问题也提醒要眷更换已经破坏的膨胀节。但在更换膨胀节前，需要对先前元件破坏的原因进行分析、比对，结合实际使用情况选择使用更加合理的膨胀节 ，最终通过元件的改型，延长它的使用寿命 ，并在寿命期限内保证膨胀节能安全可靠地使用，达到真正更换合理的目的。

1 NP蒸发器用膨胀节介绍及失效分析1.1膨胀节介绍复肥 P-EA107(NP蒸发器)属国外引进设备，所用波形膨胀节为多波多层结构。通过查阅相关资料，此种膨胀节在图纸上并没有详细设计尺寸，也没有给出所依据的国外相关设计和制造标准。通过比对其结构形式，与国内标准 GB16479-1997(压力容器波形膨胀节》中的ZX型膨胀节(整体成型小波高膨胀节)相类似。此种膨胀节具有挠性好，补偿变形能力强的特点。

设备经过长期运转，原有膨胀节因为疲劳失效，早在多年前已被更换为国内制造的产品，由于无法找到产品的相关资料，具体设计校核数据及相关结构尺寸无从得知，通过现场观察、了解，在用产品为单波单层结构，属于 GB16479-1997(压力容器波形膨胀节》中的 HF型膨胀节(膨胀节由两半波零件焊接而成)。此种膨胀节具有制作工艺简单，成本低的特点，广泛用于容器设备中。(HF型及 ZX型如图 1、图 2所示)B型图 1 HF型膨胀节收稿Et期：2012-1 1-05作者简介：梁潞华(1986-)，女 ，山西襄垣人，工程师，学士，主要从事没备设计工作。

96图2 ZX型膨胀节《装备制造技术)1o13年第 2期1.2膨胀节失效分析经过调查，最初由于从国#t-l进整套设备，膨胀节的设计、制造及检验均遵循国外相关标准，产品的加工制造工艺优于国内水平，能完好的与NP蒸发器相互配合，在使用功能上可以很好的补偿由温差引起的轴向位移，使用寿命能同时满足设计年限要求。

而之后更换的国产膨胀节，使用寿命并不长久，过早的出现疲劳破坏。

通过对比及分析前后两种膨胀节，对现用膨胀节使用寿命短及过早出现疲劳失效问题，归纳、总结出以下几种原因：(1)结构形式的差别：波纹管层数不同，国外膨胀节为多层结构，国内现用产品为单层结构(单层结构如图3所示)。分析两种形式的膨胀节，各有特点，但前者总体性能上优于后者。

多层结构 ：挠性好 ，补偿变形能力强 ；可承受较高能级的动载荷和相应的疲劳寿命要求；结构紧凑，节省材料，占用空间相对要小；高压情况下使用安全，它不会各层同时突然爆裂，不具有威胁力。但是，制造时需要充分注意各层间的贴合品质。

单层结构：制作简单，成本低。-般在静载荷下对设备起位移补偿作用，在保证设计要求的承压能力、补偿量、刚度和疲劳寿命的前提下，应优先选用。

选用单层膨胀节，虽然通过设计计算，可以满足各种要求，但是现场的操作环境对产品的要求更加苛刻，临时出现的多种复杂情况可能会超出膨胀节的设计使用能力(如承压能力、补偿量等)，这些情况的发生都会缩短膨胀节的使用寿命，导致产品过早的出现疲劳破坏，失去补偿功能。

图 3 单层膨胀节(2)焊缝品质 ：由于疲劳裂纹多发生在焊缝或焊缝附近，如果品质控制不好，会严重影响产品的使用寿命。通过观察，现用膨胀节泄漏部分发生在焊缝及焊缝附近，因此，焊缝品质是影响膨胀节寿命的重要因素之-。

(3)成形偏差：有资料表明，波纹管 lO%的厚度公差就会产生 21%的压力弯曲应力的变化，进而影响寿命。波峰、波谷的曲率加大或减轩会改变设计应力水平。

虽然无法对在用膨胀节的成形偏差进行实测，判断在制造过程中如果没有很好的控制偏差是否会改变设计应力水平，但是作为可能出现的导致产品寿命缩短的因素，我们应当多加考虑，在设计时应按照国家标准确定材料的成形减薄量，在制造加工时也需对厂家提出控制成形偏差的要求，尽量减小这- 因素对产品寿命产生的影响。

(4)表面品质：波纹管表面有凹陷、划痕将影响产品使用寿命。膨胀节在制造加工、运输及安装过程中，都有可能造成波纹管表面品质的损害(如划痕，凹坑及凹凸不平)，而这些损害会产生附加的应力集中，在应力集中处会加速破坏，导致膨胀节的使用寿命终结。由于现场在用膨胀节裸露在外，环境中大量的粉尘覆盖其上，无法观察到膨胀节的表面品质，但是这个因素不容忽视，在制造加工、运输及安装等各个环节都应注意避免损害波纹管。

以上几方面因素共同作用，并发生、发展，导致膨胀节的使用寿命大大缩短，过早地出现了疲劳破坏的现象。

2 解决办法膨胀节最终发生疲劳破坏虽然无法避免，但是可以采取有针对性的解决办法，延长膨胀节的使用寿命，避免过早的出现破坏，保证膨胀节在规定的使用循环次数内能安全可靠的运行。

针对上面提到的四点原因，采取相对应的解决办法：(1)膨胀节单层结构具有制作简单、成本低的优势，如能保证设计要求，应优先选用单层结构，但是多层结构的补偿变形能力与强度更好，疲劳寿命更高，国外有资料指出：多层结构的疲劳寿命-般为同几何参数单层结构的6倍左右。

选用不同结构的膨胀节应考虑多种因素，总体上应具有-定的优势，才值得改型、替换。复肥P-EA107膨胀节结构最初是多层结构，后改用单层结构，通过对比可以看出单层结构的补偿效果并不是很好，多层结构要优于单层结构，更适宜在此容器上使用。价格方面也许稍贵，但能更长久使用，应是经济合理的。

对于采用单波还是多波结构，是通过设计计算得出的，轴向位移引起的应力过大时，通成以增加波数，避免膨胀节遭到破坏。根据现场出现问题，分97Equipment Manufacturing Technology No.2，201 3析可得现用的单波膨胀节并不能满足设备的伸缩需要，在进行改型、更换时应严格按照标准进行设计，计算得出波数，确保满足补偿要求。

(2)焊缝品质会影响膨胀节的使用寿命，因而要限制焊缝的余高，不应超过母材厚度的10%，并且表面要打磨，焊接应有完整的焊接工艺规程，焊缝要求表面不得有裂纹、气孔、夹渣等缺陷，焊接过程中应采取有效保护措施，防止烧穿或焊渣飞溅到波纹管上。

(3)要减小成形偏差，控制成形减薄量，保证产品使用寿命。成形(Dw/Do)的大小是控制成形减薄量的重要参数，-般当Dw/Do1.55-1.10时，其实际减薄量接近计算减薄量。如果成形比过大，由于减薄量太大致使波纹管成形过程中因承受不起成形压力而破裂。因此在加工制造中，减小成形偏差，按照成形比，控制好减薄量，是保证膨胀节设计寿命的重要因素。其中：Do为波纹管直边段外径；Dw为波纹管外径。

(4)要注意波纹管的表面品质，避免产生附加应力集中。这要求波纹管表面不得有大于钢板负偏差的划痕、凹坑或凹凸不平。而对小于钢板负偏差的划痕、凹坑或凹凸不平，需要修磨圆滑。

为保证在运输过程中不损坏波纹管，应采取有效的保护措施。对于无约束的膨胀节，应设有装运杆，对波纹管外露的膨胀节，可根据需要设计外护套，以免波纹管碰伤；安装时禁止用扳手、手锤等敲击膨胀节；起吊时载荷起吊位置应在端管上，不应置于波纹管处；钢丝绳或其他工具不允许装卸波纹管和波纹管覆盖物。

采用上述方法和措施可有效保护波纹管表面品质，利于产品长久、有效、安全地使用。

3 结束语分析膨胀节疲劳破坏的目的，是为了更好的保证产品达到设计使用寿命，并在使用期限内安全可靠的完成其用于补偿变形的功能。美国军标管道用金属波纹膨胀节”就认为膨胀节在规定的循环次数内能安全可靠的运行才是产品品质的根本，大于规定循环次数之外的循环次数是没有实际应用价值的。这就给予了我们-个提示，就是在对膨胀节的设计、制造和使用提出要求时，不是单纯的要延长膨胀节的使用寿命，最重要的是要保证产品在使用期内安全可靠的运行。

膨胀节的疲劳失效问题涉及到设计、制造、检验、运输、安装及日后检修各个方面，它是-个综合性的问题，如何能让产品在满足设计要求的前提下，达到-个最优的状态来充分发挥其性能，还需要进行更加深入的研究和探讨。