蒸汽管线直管压力平衡型膨胀节失效分析_张晓辉.pdf
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一？…—＝ —蒸汽管线直管压力平衡型膨胀节失效分析蒸汽管线直管压力平衡型膨胀节失效分析张晓辉 齐金祥（秦皇岛市泰德管业科技有限公司，河北 秦皇岛 0 6 6 0 0 4 ）摘 要：本文通过对某化工企业蒸汽管线用直管压力平衡型膨胀节的失效分析 ， 阐 述了该膨账节发生失效的 原因 ， 并对蒸汽管线膨账节的设计和使用提出 了几点建议 关键词 ： 波纹管； 失效 ； 水锤； 蒸汽ＦａｉｌｕｒｅＡｎａｌｙｓｉｓＯｆＳｔｒａｉｇｈｔＰｒｅｓｓｕｒｅＢａｌａｎｃｅｄＥｘｐａｎｓｉｏｎＪｏｉｎｔＯＮＳｔｅａｍＰｉｐｉｎｇＳｙｓｔｅｍＺＨＡＮＧＸＩ ＡＯＨＵ ＩＱｌＪＩ ＮＸＩ ＮＡＧ（Ｑｉ ｎＨｕａｎｇＤａｏＴａｉｄｙＦｌｅｘ－ ｔｅｃｈｃｏ．， ＬＴＤ．， Ｑｉｎｈｕａｎｇｄａｏ0 6 6 0 0 4 ， Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ ：Ｔｈｅｒｅｉｓａｆａｉ ｌｕｒｅａｎａｌｙｓｉ ｓｏｆｓｔ ｒａｉｇｈｔｐｒｅｓ ｓｕｒｅｂａｌａｎｃｅｄｅｘｐａｎｓｉ ｏｎｊｏｉｎｔｏｎｓｔｅａｍｐｉｐｉｎｇｓｙｓ ｔｅｍ．Ｅｘｐｏｕｎｄｔｈｅｆａｉ ｌ ｕｒｅｒｅａｓｏｎｓｏｆｔｈｅｅｘｐａｎｓｉｏｎｊｏｉｎｔ ， ａｎｄｇｉ ｖｅｓｏｍｅｓｕｇｇｅｓｔ ｉｏｎｔｏｔｈｅｅｘｐａｎｓｉ ｏｎｊｏ ｉｎｔｏｆＳｔｅａｍＰ ｉ ｐｉ ｎｇＳｙｓｔｅｍ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ：ｂｅｌ ｌｏｗｓ ； ｆａｉｌｕｒｅ ； ｗａｔｅｒｈａｍｍｅｒ2 0 1 5 年 4 月 ，某化工企业在新项目试运行期间，发现安装在蒸汽管道水平管段的直管压力平衡型膨胀节发生失效现象 ， 导致该管道停气 ， 系统停产。
因此 ，查找问题发生的根本原因 ，解决问题 ，避免造成更大损失的任务迫在眉睫 1概 述该膨胀节安装于蒸汽管道水平管道上 （见图 1 ） ，膨胀节所在管段管系图见图 2 ． 管道系统温度一压力曲线见图 3 ， 实际工作参数见表 1 表 1 管道参数表公称通径ｍｍＤＮ 8 0 0工作压力ＭＰａ 0 ． 2 ？ 0 ． 2 5￣设计压力ＭＰａ0 3 5工作温度Ｃ 1 2 0＇设计温度工1 6 0工作介质 低低压蒸汽图 1 现场膨胀节失效照片？1 5 5？第十四届全国膨胀节学术会议论文集 膨胀节技术进展ＮＳ ＥＥｃｏ＾ｏ／Ｚ4 －Ｂ？－ ＳＣ2－12 418．Ｓ／ｗ？4 ？！ 1＾］／ｅｌ＇－ｍｋ！Ｊ ｉ？ ｉ ：ｉ 8＊ｃ ．／ＳＢＺ 4 －Ｂ8 －ＳＣ2 － 1 8 8 2 3－ 3－ Ａ 7 8－ ｔｆｌ 8 0？＊ＶＡｆｉＥ ＊ｊ 2 4 1 8．？［ｇ4 ＺＷ／＾／Ｊ Ｉ ， ＇ ， ＂ 8Ｍ＇Ｓ3 ）Ｊｌ？ 1 1（ 8 80 ）；ｊＪ ｌ？ Ｉ Ｉ（ 8 ｒ？－－＾Ｃ〇ｌｆ（ＴＯ／／Ｅ2 －Ｉ 42 ？－ 88 － ＳＣ 2 －Ｉ 8ＢＢ 3－ 2 － ｆｔ 7 8 －＊？ － ？8ＭＫ／（？？（ｔｉ 2 418－Ｓ＜／／Ｎ 34 Ｗ1／Ｚｍ／＾＼24 － 8 ａ8 Ｓ？－ｌ 8Ｗ9 Ａ 7Ｂ＇Ｈｉ ｚｅ！ 8 ．ＹＳ0 Ｊ2＾Ｊ Ｉ 0 Ｉ 1 Ｉ Ｉ ＢＯＴ｜／Ｃ〇Ａ ｔＯＶ 2 Ｂ4 Ｓ ＳＨＩ ＳＮ 3Ｚ2Ｍｎ＞ＳＭ 3图 2 管系图ｒ－？．．…勝：暱画匿Ｌ綱｜ ｜ｄ？叫ｌＩｆｍａｍ图 3 管系压力温度曲线图 4 平衡波纹管失效图片膨胀节的现场安装情况如图 1 所示 ， 现场管道位置已经按安装要求进行了保温处理， 而膨胀节位置未做保温处理。
系统开始运行的第一个月 ， 系统运行情况正常 系统停车再开车四天后 ， 发现该膨胀节的工作波纹管运行正常 ，平衡波纹管发生扭曲变形 ， 波纹管有些部分已经被拉直 ， 有些部分产生了褶皱丨（见图 4 ） ，现场测量实际位移量为 1 3 0 ｍｍ2 失效分析 ：2 ． 1 波 纹 管 计 算 校 核此膨胀节为直管压力平衡型膨胀节， 结构形式见图 5 波纹管具体参数见表 2 波纹管参数表表 2 波纹管参数表｜公称通径 ｍｍＤＮ 8 0 0设计压力ＭＰａ0 ． 3 5设计温ｇ °Ｃ 1 6 0 轴向补偿量 ｍｍ 1 2 0波纹管材料 3 1 6Ｌ工作波直边段内径 ｍｍ7 9 8波高 ｍｍ5 5波距ｍｍ6 0纹管 波数 8—壁厚 ｍｍ＿0 ． 8—层数—2平衡波直边段内径 ｍｍ1 1 2 8波高 ｍｍ7 0波距 ｍｍ 7 0纹管丨波数丨8｜壁厚 ｍｍ｜1 ． 0丨层数｜2？1 5 6？［［ 蒸汽管线直管压力平衡型膨胀节失效分析膨胀节波纹管材料为 3 1 6 Ｌ， 材质性能见表 3 （ 3 1 6 Ｌ材质性能表（ＡＳＴＭＡ 2 4 0 ） ） ， 材料的各项性能复验值见表4 （ 3 1 6 Ｌ各项性能复验参数表） 。
＾＾Ｊ． ＩＩＩＬｒｍｍ■尋 1￣ｆ■ｔｏｉ1「ｒｕＴＯｉｎｗｃｒｔｒｉＩｉ ｉｚ丨二 ：二二 二 二 二 二 二二二ｉｒｕ ｕｕ ｉｍｐｗｉ￣ＨＡ－图 5 膨胀节结构示意图表 33 1 6 Ｌ 材质性能表 （ＡＳＴＭＡ 2 4 0）？扩1＾月民拉伸化学成分（ ％ ）度强强率ＨＢ度 度％＾Ｉ＾Ｉ＾ ＾ ＾ ＾ＣＳｉＭｎＰＳＣｒＮｉＭｏＮ＞ 1 7 0＞4 8 5＾4 0＜ 9 5＜ 0 ． 0 3＜ 0 ． 7 5＜ 2 ． 0＜0 ． 0 4 5＜ 0 ． 0 3 01 6 ？ 1 81 0 ？ 1 42 ？ 3＜0 ． 1表 43 1 6 Ｌ 各项性能复验参数表屈 抗 延壁 服 拉伸 化学成分（ ％ ）厚强强率？■产ｐ％仙＾＾ ＾ ＾ ＾ ＾ ＾ ＾又 又 ＣＳｉＭｎＰＳＣｒＮｉＭｏＮ1 ． 02 7 46 2 45 88 00． 0 2 2 30．5 7 51． 3 6 20 ． 0 2 8 30． 0 0 2 21 6 ． 51 0 ． 0 52 ． 0 40 ． 0 1 3 20 ． 82 7 66 2 95 78 10 ． 0 2 20 ． 5 0 8＊1 ． 4 3 50 ． 0 2 6 80 ． 0 0 2 81 6 ． 5 81 0 ． 0 62 ． 0 30 ． 0 1 2 7由 以上复验结果可以看出 ， 波纹管材料的各项性能指标满足标准要求 。
2． 1 ． 1工作波纹管的计算和校核按照 ＧＢ／Ｔ1 2 7 7 7 2 0 0 8 进行波纹管的计算（ 符号的定义同标准要求） ，计算结果如表 5 ：表 5 工作波纹管计算校核表应力 ／失稳压力计算值判定值判定判定结果压力引起的波纹管直边段周向薄膜应力？Ｍｐａ2 7 ．5 81 1 5ｆｌ ＜Ｃｗｂ ［ 0 ］ Ｌ合格压力引起的波纹管周向薄膜应力ＡＭｐａ 5 0 ． 2 91 1 5＾＜Ｃｗｂ ［ａｊ Ｌ合格压： 力引起的波纹管子午向薄膜应力ＡＭｐａ6 ． 2 3－ — —压力引起的波纹管子午向弯曲应力ＡＭｐａ2 3 6． 8 1——位移引起的波纹管子午向薄膜应力 ＾Ｍｐａ4 ． 5 1－——？1 5 7？Ｉ 第十四届全国膨胀节学术会议论文集 膨胀节技术进展（续表）应力／失稳压力Ｉ计算值判定值判定Ｉ判定结果一位移引起的波纹管子午向弯曲应力 仍Ｍｐａ6 6 0 ． 0 9 － ——柱失稳极限设计内压ＰｓｃＭｐａ 0 ． 3 60． 3 5ＰＳＣ＞Ｐ合格平面失稳极限设计内压Ｍｐａ0 ．4 40． 3 5Ｐｓ ｉ＞Ｐ合格泛3 ＋ＡＭｐａ 2 4 3 ． 0 43 0 5 ． 9 ［ｃｔ］ Ｌ合格由 以上的计算校核结果可知 ，工作波纹管合格。
2 ． 1 ． 2平衡波纹管的计算和校核按照 ＧＢ／Ｔ 1 2 7 7 7—2 0 0 8进行波纹管的计算（符号的定义同标准要求） ，计算结果如表 6 ：表 6 平衡波纹管计算校核表应力／失稳压力计算值判定值判定判定结果压力引起的波纹管直边段周向薄膜应力Ｍｐａ2 7． 9 4 1 1 5 合格压力引起的波纹管周向薄膜应力Ｍｐａ5 1．1 51 1 5 合格压力引起的波纹管子午向薄膜应力 （Ｊ3Ｍｐａ 6 ． 3 2压力引起的波纹管子午向弯曲应力 Ｍｐａ2 5 9 ．1 3位移引起的波纹管子午向薄膜应力 ＜7 5Ｍｐａ 3 ．1 2—一一位移引起的波纹管子午向弯曲应力 （ＴｓＭｐａ5 1 3 ． 3 3柱失稳极限设计内压 Ｍｐａ0 ． 3 70 ． 3 5Ｐ，Ｃ＞Ｐ合格平面失稳极限设计内压ｈＭｐａ 0 ． 3 90 ． 3 5Ｐ3 ｉ＞Ｐ合格（7 3 ＋〇4Ｍｐａ2 6 5 ． 4 52 9 6 ． 7＜？ 3 ＋＜Ｔ4 ＾Ｃｍ ［ａ］ ＇ｉ ，合格由以上的计算校核结果可知 ，平衡波纹管合格。
通过膨胀节波纹管的计算和校核结果可以看出，该膨胀节的工作波纹管和平衡波纹管均复合设计要求判定合格 2 ． 2 泠 凝 液 的 影 喃因该膨胀节正常运行一个月 时间 ， 系统正常运行时 ，膨胀节工作状态满足设计要求 ，与设计算条件相符 在系统停车又再次开车后 ，膨胀节发生了失效 失效部位为平衡波纹管部分 ，平衡波纹管发生扭曲变形 ，波纹管有些部分已经被拉直 ，有些部分产生了褶皱 ，平衡波纹管实际位移量达 1 3 〇ｍｍ 由现场了解可知 ：膨胀节安装在水平管段上， 内部流通的介质为蒸汽 ， 蒸汽温度为 1 2 〇°Ｃ ， 管道部位已经按施Ａ工要求进行了保温处理，而膨胀节位置未进行保温＾处理 从而导致蒸汽流经膨胀节时会结露 ，析出冷—ＬＬ－－ａＬ－Ｊ凝水 由于膨胀节自身结构的特点 ，水将积聚在膨＝二二二二二二二二二： ： ：＝二＝＝：：二胀节的平衡波纹管段（见图5 和图 6 ） 随着时间三品吞＾的推移水就会不断增多， 特别是系统停车后 ，析出的冷凝水会不断增多，使得冷凝水聚积在平衡波纹丑—－1＝二 管部位波纹管和接管的下腔。
＾由现场的压力温度曲线 （ 图 3 ） 可以看出管系图 6 平衡波纹管积水示意Ｓ停车后又启动 ’ 管内压力有瞬间急剧升高现象 ’ 由于膨胀节平衡波纹管部位已经有大量的冷凝水积？1 5 8？蒸汽管线直管压力平衡型膨胀节失效分析聚 ，在系统再次启动时高速流动的蒸汽会带动膨胀节中的水一起流动造成了涟漪 随着蒸汽的带动， 冷凝水在管道内慢慢形成了一定的规模（类似于波浪） ， 在平衡波纹管下腔内就会产生水锤， 冷凝水在管道内形成浪涌式的撞击 同时当蒸汽接触到低温的冷凝水后会立即冷却 ，蒸汽的体积立刻减小（冷凝水的体积比蒸汽小约 1 0 0 0 倍） ，。
