梁潞華，任大為

（天脊煤化工集團(tuán)股份有限公司，山西 潞城 047507）

波形膨脹節(jié)（bellows expansion joint）又稱波形補(bǔ)償器，其是由波紋管和其他零件組成。其中，波紋管是一柔性件，膨脹節(jié)的補(bǔ)償性能基本是由波紋管決定的。波紋管按波形分類，常用波形有U形、Ω 形、S形等，通常容器上使用的大多為U形波紋管。

天脊集團(tuán)的生產(chǎn)裝置經(jīng)過二十多年的運(yùn)行、生產(chǎn)，多數(shù)設(shè)備早已超出設(shè)計(jì)使用年限，潛在的安全隱患也逐漸暴露出來，為了保持裝置的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，避免停車事故的出現(xiàn)，需要及時(shí)對老化的設(shè)備進(jìn)行維修、更換。波形膨脹節(jié)作為在部分容器及換熱器上使用的重要零部件，用于補(bǔ)償由于熱膨脹引起的位移，它的安全使用直接決定著容器設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但膨脹節(jié)的使用壽命比較短暫，因?yàn)樽鳛檠a(bǔ)償元件，膨脹節(jié)中的波紋管在超過其材料的屈服極限的高應(yīng)力下工作，波紋管每變位一次，都不能恢復(fù)其原來的自由長度而有殘余變形存在，這樣的往復(fù)循環(huán)，殘余變形積累到一定程度，波紋管就會(huì)發(fā)生破壞，它的壽命也就會(huì)隨即終止。

天脊復(fù)肥廠P-EA107（NP蒸發(fā)器）膨脹節(jié)現(xiàn)階段已經(jīng)發(fā)生疲勞破壞，造成設(shè)備內(nèi)蒸汽外泄，泄漏部位主要發(fā)生在由兩半波零件焊接構(gòu)成的波紋管的波峰焊接連接處，雖然蒸汽泄漏量不大，設(shè)備還能勉強(qiáng)維持運(yùn)轉(zhuǎn)，但由于波紋管已經(jīng)遭受破壞，補(bǔ)償能力部分喪失，造成設(shè)備壓力損失，若不及時(shí)處理，可能會(huì)損壞設(shè)備其他關(guān)鍵部位，導(dǎo)致更加嚴(yán)重的后果，同時(shí)顯現(xiàn)出來的安全問題也提醒要盡快更換已經(jīng)破壞的膨脹節(jié)。但在更換膨脹節(jié)前，需要對先前元件破壞的原因進(jìn)行分析、比對，結(jié)合實(shí)際使用情況選擇使用更加合理的膨脹節(jié)，最終通過元件的改型，延長它的使用壽命，并在壽命期限內(nèi)保證膨脹節(jié)能安全可靠地使用，達(dá)到真正更換合理的目的。

1 NP蒸發(fā)器用膨脹節(jié)介紹及失效分析

1.1 膨脹節(jié)介紹

復(fù)肥P-EA107（NP蒸發(fā)器）屬國外引進(jìn)設(shè)備，所用波形膨脹節(jié)為多波多層結(jié)構(gòu)。通過查閱相關(guān)資料，此種膨脹節(jié)在圖紙上并沒有詳細(xì)設(shè)計(jì)尺寸，也沒有給出所依據(jù)的國外相關(guān)設(shè)計(jì)和制造標(biāo)準(zhǔn)。通過比對其結(jié)構(gòu)形式，與國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)GB16479-1997《壓力容器波形膨脹節(jié)》中的ZX型膨脹節(jié)（整體成型小波高膨脹節(jié)）相類似。此種膨脹節(jié)具有撓性好，補(bǔ)償變形能力強(qiáng)的特點(diǎn)。

設(shè)備經(jīng)過長期運(yùn)轉(zhuǎn)，原有膨脹節(jié)因?yàn)槠谑?，早在多年前已被更換為國內(nèi)制造的產(chǎn)品，由于無法找到產(chǎn)品的相關(guān)資料，具體設(shè)計(jì)校核數(shù)據(jù)及相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸無從得知，通過現(xiàn)場觀察、了解，在用產(chǎn)品為單波單層結(jié)構(gòu)，屬于GB16479-1997《壓力容器波形膨脹節(jié)》中的HF型膨脹節(jié)（膨脹節(jié)由兩半波零件焊接而成）。此種膨脹節(jié)具有制作工藝簡單，成本低的特點(diǎn)，廣泛用于容器設(shè)備中。（HF型及ZX型如圖1、圖2所示）。

圖1 HF型膨脹節(jié)

圖2 ZX型膨脹節(jié)

1.2 膨脹節(jié)失效分析

經(jīng)過調(diào)查，最初由于從國外引進(jìn)整套設(shè)備，膨脹節(jié)的設(shè)計(jì)、制造及檢驗(yàn)均遵循國外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品的加工制造工藝優(yōu)于國內(nèi)水平，能完好的與NP蒸發(fā)器相互配合，在使用功能上可以很好的補(bǔ)償由溫差引起的軸向位移，使用壽命能同時(shí)滿足設(shè)計(jì)年限要求。而之后更換的國產(chǎn)膨脹節(jié)，使用壽命并不長久，過早的出現(xiàn)疲勞破壞。

通過對比及分析前后兩種膨脹節(jié)，對現(xiàn)用膨脹節(jié)使用壽命短及過早出現(xiàn)疲勞失效問題，歸納、總結(jié)出以下幾種原因：

（1）結(jié)構(gòu)形式的差別：波紋管層數(shù)不同，國外膨脹節(jié)為多層結(jié)構(gòu)，國內(nèi)現(xiàn)用產(chǎn)品為單層結(jié)構(gòu)（單層結(jié)構(gòu)如圖3所示）。分析兩種形式的膨脹節(jié)，各有特點(diǎn)，但前者總體性能上優(yōu)于后者。

多層結(jié)構(gòu)：撓性好，補(bǔ)償變形能力強(qiáng)；可承受較高能級的動(dòng)載荷和相應(yīng)的疲勞壽命要求；結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)省材料，占用空間相對要??；高壓情況下使用安全，它不會(huì)各層同時(shí)突然爆裂，不具有威脅力。但是，制造時(shí)需要充分注意各層間的貼合品質(zhì)。

單層結(jié)構(gòu)：制作簡單，成本低。一般在靜載荷下對設(shè)備起位移補(bǔ)償作用，在保證設(shè)計(jì)要求的承壓能力、補(bǔ)償量、剛度和疲勞壽命的前提下，應(yīng)優(yōu)先選用。

選用單層膨脹節(jié)，雖然通過設(shè)計(jì)計(jì)算，可以滿足各種要求，但是現(xiàn)場的操作環(huán)境對產(chǎn)品的要求更加苛刻，臨時(shí)出現(xiàn)的多種復(fù)雜情況可能會(huì)超出膨脹節(jié)的設(shè)計(jì)使用能力（如承壓能力、補(bǔ)償量等），這些情況的發(fā)生都會(huì)縮短膨脹節(jié)的使用壽命，導(dǎo)致產(chǎn)品過早的出現(xiàn)疲勞破壞，失去補(bǔ)償功能。

圖3 單層膨脹節(jié)

（2）焊縫品質(zhì)：由于疲勞裂紋多發(fā)生在焊縫或焊縫附近，如果品質(zhì)控制不好，會(huì)嚴(yán)重影響產(chǎn)品的使用壽命。通過觀察，現(xiàn)用膨脹節(jié)泄漏部分發(fā)生在焊縫及焊縫附近，因此，焊縫品質(zhì)是影響膨脹節(jié)壽命的重要因素之一。

（3）成形偏差：有資料表明，波紋管10%的厚度公差就會(huì)產(chǎn)生21%的壓力彎曲應(yīng)力的變化，進(jìn)而影響壽命。波峰、波谷的曲率加大或減小均會(huì)改變設(shè)計(jì)應(yīng)力水平。

雖然無法對在用膨脹節(jié)的成形偏差進(jìn)行實(shí)測，判斷在制造過程中如果沒有很好的控制偏差是否會(huì)改變設(shè)計(jì)應(yīng)力水平，但是作為可能出現(xiàn)的導(dǎo)致產(chǎn)品壽命縮短的因素，我們應(yīng)當(dāng)多加考慮，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按照國家標(biāo)準(zhǔn)確定材料的成形減薄量，在制造加工時(shí)也需對廠家提出控制成形偏差的要求，盡量減小這一因素對產(chǎn)品壽命產(chǎn)生的影響。

（4）表面品質(zhì)：波紋管表面有凹陷、劃痕將影響產(chǎn)品使用壽命。膨脹節(jié)在制造加工、運(yùn)輸及安裝過程中，都有可能造成波紋管表面品質(zhì)的損害（如劃痕，凹坑及凹凸不平），而這些損害會(huì)產(chǎn)生附加的應(yīng)力集中，在應(yīng)力集中處會(huì)加速破壞，導(dǎo)致膨脹節(jié)的使用壽命終結(jié)。由于現(xiàn)場在用膨脹節(jié)裸露在外，環(huán)境中大量的粉塵覆蓋其上，無法觀察到膨脹節(jié)的表面品質(zhì)，但是這個(gè)因素不容忽視，在制造加工、運(yùn)輸及安裝等各個(gè)環(huán)節(jié)都應(yīng)注意避免損害波紋管。

以上幾方面因素共同作用，并發(fā)生、發(fā)展，導(dǎo)致膨脹節(jié)的使用壽命大大縮短，過早地出現(xiàn)了疲勞破壞的現(xiàn)象。

2 解決辦法

膨脹節(jié)最終發(fā)生疲勞破壞雖然無法避免，但是可以采取有針對性的解決辦法，延長膨脹節(jié)的使用壽命，避免過早的出現(xiàn)破壞，保證膨脹節(jié)在規(guī)定的使用循環(huán)次數(shù)內(nèi)能安全可靠的運(yùn)行。

針對上面提到的四點(diǎn)原因，采取相對應(yīng)的解決辦法：

（1）膨脹節(jié)單層結(jié)構(gòu)具有制作簡單、成本低的優(yōu)勢，如能保證設(shè)計(jì)要求，應(yīng)優(yōu)先選用單層結(jié)構(gòu)，但是多層結(jié)構(gòu)的補(bǔ)償變形能力與強(qiáng)度更好，疲勞壽命更高，國外有資料指出：多層結(jié)構(gòu)的疲勞壽命一般為同幾何參數(shù)單層結(jié)構(gòu)的6倍左右。

選用不同結(jié)構(gòu)的膨脹節(jié)應(yīng)考慮多種因素，總體上應(yīng)具有一定的優(yōu)勢，才值得改型、替換。復(fù)肥P-EA107膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)最初是多層結(jié)構(gòu)，后改用單層結(jié)構(gòu)，通過對比可以看出單層結(jié)構(gòu)的補(bǔ)償效果并不是很好，多層結(jié)構(gòu)要優(yōu)于單層結(jié)構(gòu)，更適宜在此容器上使用。價(jià)格方面也許稍貴，但能更長久使用，應(yīng)是經(jīng)濟(jì)合理的。

對于采用單波還是多波結(jié)構(gòu)，是通過設(shè)計(jì)計(jì)算得出的，軸向位移引起的應(yīng)力過大時(shí)，通?？梢栽黾硬〝?shù)，避免膨脹節(jié)遭到破壞。根據(jù)現(xiàn)場出現(xiàn)問題，分析可得現(xiàn)用的單波膨脹節(jié)并不能滿足設(shè)備的伸縮需要，在進(jìn)行改型、更換時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，計(jì)算得出波數(shù)，確保滿足補(bǔ)償要求。

（2）焊縫品質(zhì)會(huì)影響膨脹節(jié)的使用壽命，因而要限制焊縫的余高，不應(yīng)超過母材厚度的10%，并且表面要打磨，焊接應(yīng)有完整的焊接工藝規(guī)程，焊縫要求表面不得有裂紋、氣孔、夾渣等缺陷，焊接過程中應(yīng)采取有效保護(hù)措施，防止燒穿或焊渣飛濺到波紋管上。

（3）要減小成形偏差，控制成形減薄量，保證產(chǎn)品使用壽命。成形比（Dw/Do）的大小是控制成形減薄量的重要參數(shù)，一般當(dāng)Dw/Do=1.55~1.10時(shí)，其實(shí)際減薄量接近計(jì)算減薄量。如果成形比過大，由于減薄量太大致使波紋管成形過程中因承受不起成形壓力而破裂。因此在加工制造中，減小成形偏差，按照成形比，控制好減薄量，是保證膨脹節(jié)設(shè)計(jì)壽命的重要因素。其中：Do為波紋管直邊段外徑；Dw為波紋管外徑。

（4）要注意波紋管的表面品質(zhì)，避免產(chǎn)生附加應(yīng)力集中。這要求波紋管表面不得有大于鋼板負(fù)偏差的劃痕、凹坑或凹凸不平。而對小于鋼板負(fù)偏差的劃痕、凹坑或凹凸不平，需要修磨圓滑。

為保證在運(yùn)輸過程中不損壞波紋管，應(yīng)采取有效的保護(hù)措施。對于無約束的膨脹節(jié)，應(yīng)設(shè)有裝運(yùn)桿，對波紋管外露的膨脹節(jié)，可根據(jù)需要設(shè)計(jì)外護(hù)套，以免波紋管碰傷；安裝時(shí)禁止用扳手、手錘等敲擊膨脹節(jié)；起吊時(shí)載荷起吊位置應(yīng)在端管上，不應(yīng)置于波紋管處；鋼絲繩或其他工具不允許裝卸波紋管和波紋管覆蓋物。

采用上述方法和措施可有效保護(hù)波紋管表面品質(zhì)，利于產(chǎn)品長久、有效、安全地使用。

3 結(jié)束語

分析膨脹節(jié)疲勞破壞的目的，是為了更好的保證產(chǎn)品達(dá)到設(shè)計(jì)使用壽命，并在使用期限內(nèi)安全可靠的完成其用于補(bǔ)償變形的功能。美國軍標(biāo)“管道用金屬波紋膨脹節(jié)”就認(rèn)為膨脹節(jié)在規(guī)定的循環(huán)次數(shù)內(nèi)能安全可靠的運(yùn)行才是產(chǎn)品品質(zhì)的根本，大于規(guī)定循環(huán)次數(shù)之外的循環(huán)次數(shù)是沒有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的。這就給予了我們一個(gè)提示，就是在對膨脹節(jié)的設(shè)計(jì)、制造和使用提出要求時(shí)，不是單純的要延長膨脹節(jié)的使用壽命，最重要的是要保證產(chǎn)品在使用期內(nèi)安全可靠的運(yùn)行。

膨脹節(jié)的疲勞失效問題涉及到設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)、運(yùn)輸、安裝及日后檢修各個(gè)方面，它是一個(gè)綜合性的問題，如何能讓產(chǎn)品在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，達(dá)到一個(gè)最優(yōu)的狀態(tài)來充分發(fā)揮其性能，還需要進(jìn)行更加深入的研究和探討。

[1]GB16479-1997.壓力容器波形膨脹節(jié)[S].