煅烧炉用金属波纹膨胀节设计

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在工业生产中，煅烧炉的保温很重要，工作时管线的温度很高。当温度变化时，管线变形将影响煅烧炉正常工作，这就要求对管线的变形进行补偿。波纹膨胀节是热力管网和设备进行热补偿、机械补偿和吸收各种机械振动的关键部件之-，已经广泛应用于多个领域，并取得了很好应用效果。

1 煅烧炉用金属波纹膨胀节的工作条件目前煅烧炉用波纹膨胀节的工作条件如下：最高工作压力4.0 MPa；最高工作温度350℃；工作介质为过热蒸汽。

这些条件是相对稳定的，基本在接近最高温度和压力值范围内工作。-般来说，只要选择合适的材料进行常规的结构设计，就可以满足使用要求。但由于煅烧炉系统是由多台煅烧炉转筒和各种管线连接组成复杂的空间管线系统，当煅烧炉转动时，沉重的物料在转动中冲击整个系统，所以除了高温度、大压力外，安装在管线上的波纹膨胀节更要承受系统的振收稿日期：2013-01-I8 收修改稿日期：2013-O1-31动，产生频繁的横向位移和轴向位移。这种振动极大地降低了波纹膨胀节的寿命，所以在波纹管设计中要充分考虑这种振动因素。

2 波纹管疲劳寿命提高方法了解了煅烧炉用波纹膨胀节的工况后，波纹管设计在满足补偿位移及波纹管强度要求外，其设计的核心是如何提高波纹管振动引起的疲劳寿命。

2.1 降低波纹管单层壁厚波纹管无论处在多复杂的工作条件下，其变形都为拉伸和压缩。在拉伸、压缩变形过程中，波纹管产生弯曲应力，而弯曲应力是疲劳破坏的主要原因。所以，可以通过降低弯曲应力来提高波纹管的疲劳寿命。波纹管工作条件确定后，在该产品试制过程中，当波纹管总厚度相同，弯曲变形量相同时，用单层薄厚 1.0 mm、单层壁厚0.5 mm、单层壁厚 0.3 mm分别进行计算，单层壁厚0.3 mm的波纹管，其振动引起的弯曲应力值只是单层瘪 1.0 mm波纹管弯曲应力值的30%，是单层壁厚 0.5 mm波纹管弯曲应力值的60%。通过降低波纹管单层厚度，来降低波纹管弯曲应力，达到提J ： 疲劳寿命的目的。

第3期 丁艳萍等：煅烧炉用金属波纹膨胀节设计 512.2 增加波纹管总厚度在设计中，根据现场设计压力 3.2 MPa、介质温度350℃，轴向补偿量 ±10 mm，横向补偿量 ±10 mm的要求，膨胀节采用复式结构，即2节波纹管由中间接管连接，波纹管材料选用 022Cr17Ni12Mo2(316L)不锈钢。在波纹管厚度满足强度及寿命要求前提下，对内径 qb219 mm的波纹管分别进行总厚度 6 mm(单层壁厚 0.3 mm，20层)，总厚度 5.4 mm(单层壁厚 0.3mm，18层)，总厚度 4.5 mm (单层壁厚 0.3 mm，15层)的波纹管应力及疲劳寿命计算，计算结果见表 1。

表1 波纹管应力及疲劳寿命计算结果注10"I为 压力引起的渡纹管亘边段蒯向潭膜应力； 2为压力引起的渡纹管周向薄膜应力； 为压力引起的波纹管子午向薄膜应力；tr 为压力引起的波纹管子午向弯曲应力； 为位移71起的波纹管子午向薄膜应力；ty 为位移71起的波纹管子午向弯曲应力。

从计算结果可以看出，波纹管总厚度增加可以使压力引起的弯曲应力降低，薄膜应力降低，疲劳寿命提高。当波纹管的总厚度达到强度及常规工况(不考虑系统振动)寿命要求前提下，在设计波纹管参数时，从实际工况出发，充分考虑系统振动因素，选择波纹管总厚度为6 mm，以提高耐振动疲劳能力，使波纹管更安全。

2.3 增加波纹管波数当波纹管单层壁厚及总厚度相同时，增加波纹管波数，可以降低整体刚度，增加柔性。当补偿位移量相同时，增加波数可以提高疲劳寿命。选波纹管总厚度6 mm(单层壁厚0.3 him，20层)，分别对2节5个波和 2节 6个波的波纹管进行计算。5个波的波纹管许用疲劳寿命为72 183.8次，6个波的波纹管许用疲劳寿命为192 803.2次，虽然每节波纹管只增加了 1个波，但寿命却增加 了许多。所以当系统处于振动状态，产生频繁的横向位移和轴向位移的工况下，在保证波纹管不发生失稳，并保证膨胀节安装长度条件下，旧能增加波纹管波数，以提高疲劳寿命。

3 波纹管材料选择及耐应力腐蚀能力20多年来，大量不锈钢薄壁管、卞用于波纹膨胀节制造，现场使用良好。但只要介质温度在 200℃以上(过热蒸汽)，波纹管-般工作半年左右便产生明显的应力腐蚀裂纹而泄漏，这种现象绝大多数发生在06Crl9Nil0(SUS304)材料上。

在煅烧炉用波纹管研制初期，选用 06Crl9Nil0材料，单层壁厚0.3 mm、共20层，制造了2台通径 中200mm的波纹膨胀节样品。在某化工厂现场运行 3个月后，波纹管产生了应力腐蚀裂纹而泄漏破坏。-个波纹管外两层爆破，波纹变厚；另-个波纹管泄漏。经过剖切样件，发现其破坏现象是：应力腐蚀裂纹似龟裂状，无规律地分布于波谷、波峰，乃至整个波纹。裂纹从内层开始逐渐向外层扩展，介质也逐渐向外层渗透，当外层剩余层总厚度承受不了内部渗透的压力时，波纹管就将发生塑变，波纹变厚，接着就是外层爆破。从剖切样件还可以看到，外层爆破后，爆破层呈撕裂状，而未爆的里层波纹管则波形完好，且见不到明显的蒸汽喷出痕迹。说明波纹管在外层爆破后仍可工作较长时间。

从材料性能上看，06Crl9Nil0是奥氏体不锈钢中抗应力腐蚀最差的-种，源于它抗晶问腐蚀能力差。

该材料波纹管在过热蒸汽环境下工作的破坏形式，大多为应力腐蚀破坏。GB/T 4334.5-2000不锈钢硫酸- 硫酸铜腐蚀试验方法是用于检测奥氏体不锈钢耐晶间腐蚀能力的。其中规定超低碳或含稳定性元素(如钛)的材料试件要做 2 h、650℃敏化处理，目的是加快晶间腐蚀，以缩短试验时间。而06Crl9Nil0是低碳且不含稳定元素，则特规定直接用供货状态的材料做试件。对试件两种状态进行比较，06Crl9Nil0供货状态的晶问腐蚀能力与敏化处理状态的晶间腐蚀能力相当，可见 06Crl9Nil0腐蚀能力很差。根据波纹膨胀节现场试用情况及材料本身的性能，选择比较耐腐蚀的 022Cr17Ni12M02(316L)及 06Crl8Nil 1Ti(321)进行了试验。316L在 304基础上增加了钼元素，可以显著提高其耐晶间腐蚀能力，321的整体性能都要优于304，因为含钛的原因，使得耐晶间腐蚀性能更好-些 。

4 波纹管结构改进及现场应用情况由于煅烧炉用波纹管的工况都为高温、高压环境，波纹管极易发生腐蚀破坏，针对这样的应用环境，对波纹管结构进行了设计改进。在其两端直壁上设计均匀分布的排气孔，排气孔的深度小于波纹管的总壁厚，既波纹管直壁的内几层不钻透。由于波纹管腐蚀破坏都是由内层开始逐渐向外层扩展，所以当内层依次腐蚀破坏，发生裂纹泄漏时，高温蒸汽通过排气孔喷出，通过这-现象把波纹管内层破裂泄漏的信息告知使用者，由于此时波纹管外面几层还没有破裂，52 Pipeline Technique and Equipment使得使用者有时间对现厨行处理，避免事故发生。

国内外制造商已经研制煅烧炉用波纹管产品多年，在这些产品试制期间，现场试验期间尧生了许多情况。曾经有用单层壁厚 1 mm，共3层制造带加强环的波纹管，在某碱厂运行近3个月时间，在波峰处环向突然开裂，过热蒸汽喷出。这种在没有任何迹象情况下突然开裂极易造成事故，所以之前很多用户选用外压式结构，在波纹管外面加-层套筒结构密封，或在波纹管处加防护罩，这样当波纹管破裂时候，挡住喷出的高温蒸汽，避免人员伤害。

通过波纹管结构及参数的优化设计，目前煅烧炉现场使用的波纹膨胀节运行情况 良好，技术参数达到设计、使用要求，为高温、高压、耐腐蚀波纹膨胀节设计积累了经验。

5 结束语波纹膨胀节经过多年现场应用，波纹管也出现过多种破坏形式，以疲劳破坏、腐蚀破坏及扭曲破坏为主。但因疲劳寿命不够而破坏的情况不多见，针对煅烧炉用波纹管设计得出以下经验：(1)波纹管必须选择耐腐蚀能力较强的材料，单层壁厚最好是0.3 mm的多层结构，以降低弯曲应力，并提高疲劳寿命。

(2)必须在波纹管两端直壁上加工内层破裂排气孔，孔的直径、深度、位置和数量必须保证泄漏的介质顺畅排出。

(3)保证波纹管层问清洁，不得有切削液和水等介质侵入。