駱青業(yè)，張斐，宋健，陳建軍

（北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京 100074）

低溫容器排放管路波紋補(bǔ)償器的失效分析

駱青業(yè)，張斐，宋健，陳建軍

（北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京 100074）

某液氧容器排放管路采用波紋補(bǔ)償器補(bǔ)償操作狀態(tài)下容器的收縮變形。但是，在使用過(guò)程中發(fā)生了波紋補(bǔ)償器拉伸變形失效，螺母脫落現(xiàn)象。通過(guò)分析補(bǔ)償器失效的原因，提出了改進(jìn)措施，滿足了工程應(yīng)用。

低溫容器；管路；波紋補(bǔ)償器；失效

0 引言

熱力和低溫管道系統(tǒng)中經(jīng)常采用自然補(bǔ)償或者波紋補(bǔ)償器適應(yīng)管路的變形。在安裝空間限制的條件下，只能采用波紋補(bǔ)償器方案。波紋補(bǔ)償器主要利用自身的彈性變形，補(bǔ)償管道由于溫度變形、機(jī)械變形和各種機(jī)械振動(dòng)而產(chǎn)生的軸向、角向、側(cè)向及其組合位移［1，2］。

由于補(bǔ)償器可靠性是通過(guò)設(shè)計(jì)、制造、安裝、運(yùn)行管理等多個(gè)環(huán)節(jié)來(lái)保證的，任何一個(gè)環(huán)節(jié)的失控都會(huì)導(dǎo)致其壽命的降低，甚至失效。因此，正確地選擇波紋補(bǔ)償器的材料和結(jié)構(gòu)、合理設(shè)計(jì)波形參數(shù)和疲勞壽命、保證安裝質(zhì)量等措施，能大大提高補(bǔ)償器的安全使用。波紋補(bǔ)償器失效也是工程應(yīng)用過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)的現(xiàn)象［3～5］。

1 波紋補(bǔ)償器的應(yīng)用

1.1應(yīng)用背景

某30m3液氧容器采用的是高真空多層絕熱設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)壓力4MPa。如圖1所示，管口A為液氧排放接口，需要連接排放管路。分析容器設(shè)計(jì)形式及管口結(jié)構(gòu)，當(dāng)容器填充液氧介質(zhì)的情況下，容器整體收縮變形下移，管口A波紋管收縮，帶動(dòng)管口下移，需要通過(guò)在排放管路上考慮補(bǔ)償。由于排放管路安裝空間有限，很難采用自然補(bǔ)償滿足操作工況，因此采用波紋補(bǔ)償器進(jìn)行補(bǔ)償。計(jì)算容器充滿液氧狀態(tài)下的收縮量：

△L=α×L（t2-t1）

=14.79×10-6×9×（-183-20）× 103=-27.0mm

式中：△L—變形量（mm）；L—總高度（m）；α—金屬材料的線脹系數(shù)（/℃），查表根據(jù)內(nèi)插法計(jì)算得到；t2—介質(zhì)溫度（℃）；t1—初始溫度（℃）。

圖1　容器接口圖Fig.1 Vessel interface

1.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

選擇拉桿式軸向波紋補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)，材料選擇06Cr19Ni10奧氏體不銹鋼，與管路材質(zhì)一致。公稱直徑DN165，端部接口尺寸φ175×5，設(shè)計(jì)壓力4MPa，設(shè)計(jì)溫度-183℃。其軸向剛度79.1kg/m，橫向剛度132.8kg/m，有效面積285cm2。其他相關(guān)參數(shù)如表1所示。

設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示，波紋補(bǔ)償器總體尺寸長(zhǎng)度470mm，補(bǔ)償波紋端部焊接一段直管，方便與管路進(jìn)行焊接連接。每段直管焊接3個(gè)支耳，連接3條螺桿，即能承受一定的軸向力，又能防止搬運(yùn)過(guò)程中對(duì)波紋的損壞。

表1　補(bǔ)償器參數(shù)Tab.1 Compensator parameters

圖2　設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Design structure

2 波紋補(bǔ)償器失效分析

根據(jù)安裝空間的大小，由于排泄氣動(dòng)閥門位置固定，管路安裝受到了限制。需要在豎直以及水平方向上分別安裝波紋補(bǔ)償器來(lái)補(bǔ)償?shù)蜏毓r下管路的收縮變形。

液氧容器排放管路系統(tǒng)如圖3所示。當(dāng)氣動(dòng)閥門打開(kāi)時(shí)，進(jìn)行液氧排放。由于閥門動(dòng)作靈敏，反應(yīng)時(shí)間短，排泄反力相當(dāng)大。A處波紋補(bǔ)償器發(fā)生失效，拉桿緊固件螺母脫落，致使補(bǔ)償器被拉伸170mm，并發(fā)生橫向失穩(wěn)變形。隨后B處波紋管也發(fā)生了失效，拉桿螺母脫落，被軸向拉伸了70mm。最終，導(dǎo)致排放管路系統(tǒng)的破壞。

排放系統(tǒng)波紋補(bǔ)償器存在，使得管路系統(tǒng)處在一個(gè)自由無(wú)約束的狀態(tài)下。由于盲板力的存在，即管道彎頭處受到內(nèi)壓推力與補(bǔ)償器彈性反力的共同作用。

圖3　排放管路系統(tǒng)Fig.3 Discharge pipeline system

F=Fp+Fm=A×P×102+K×△L=285×4×102+79.1×10×（-0.27）=113786.4N

其中：F—總受力（N）；Fp—內(nèi)壓推力（N）；Fm—補(bǔ)償器彈性反力（N）；A—波紋管有效面積（cm2）；P—設(shè)計(jì)壓力（MPa）；K—補(bǔ)償器剛度。

補(bǔ)償器受拉伸過(guò)程中依靠3個(gè)M12的螺紋拉桿承受，每個(gè)拉桿受的拉應(yīng)力為339MPa，遠(yuǎn)超過(guò)了許用應(yīng)力，發(fā)生螺紋失效。在內(nèi)壓力的作用下補(bǔ)償器的波紋持續(xù)變形，直至失效。

3 改進(jìn)措施

針對(duì)波紋管失效的原因，采取更換波紋管，并對(duì)波紋管以及系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。主要采取了以下措施：

（1）波紋管拉桿加粗，由原來(lái)的M12更換為M20，并采用雙螺母防松形式。

（2）在排放管路系統(tǒng)C處安裝固定支架，并在地面生根連接，分擔(dān)波紋補(bǔ)償器的受力。采用與鋼管材質(zhì)相同的10mm厚鋼板加工成內(nèi)圓外方型工裝，與管路套合焊接在一起。采用10#槽鋼焊接成門型支架，將工裝與地面鋼板連接在一起，如圖4所示。

圖4　支架圖Fig.4 Support figure

排放管路系統(tǒng)改進(jìn)后，未發(fā)生波紋補(bǔ)償器再次失效的現(xiàn)象，滿足了操作狀態(tài)下的工程使用。

4 結(jié)束語(yǔ)

波紋補(bǔ)償器應(yīng)用于補(bǔ)償管路系統(tǒng)變形中，效果明顯。但是，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)支架設(shè)置至關(guān)重要，是保證補(bǔ)償器正常使用的前提。

［1］肖曉玲，況敏，林凱生.304不銹鋼波紋補(bǔ)償器失效分析［J］.材料研究與應(yīng)用，2013，4.

［2］程永新.波紋管膨脹節(jié)在熱管道中破損原因分析及解決辦法［J］.電力建設(shè)，2011，12.

［3］原安崎，于振毅，耿志成.采用波紋補(bǔ)償器管道的應(yīng)力計(jì)算與分析［J］.管道技術(shù)與設(shè)備，2005，4.

［4］田野.管道波紋補(bǔ)償器的受力分析［J］.冶金動(dòng)力，2010，4.

［5］孫煥青，張珍年.應(yīng)用波紋補(bǔ)償器的高溫管道的應(yīng)力計(jì)算［J］.管道技術(shù)與設(shè)備，2014，3.

Failure Analysis of Bellows Compensator of Discharge Pipeline on Cryogenic Vessel

LUO Qing-Ye，ZHANG Fei，SONG Jian，CHEN Jian-Jun
（Beijing Institute of Aerospace Testing Technology，Beijing 100074，China）

The shrinkage deformation of discharge pipeline on liquid oxygen vessel was compensated to use bellows compensator in operation state.However，tensile deformation failure of the bellows compensator occurred in using，and the muffs fell off.By analyzing the failure reasons of compensator，it put forward the improvement measures to satisfy the engineering application.

cryogenic vessel；pipeline；bellows compensator；failure

TB47

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2015.02.009

1002-6673（2015）02-024-02

2015-02-25

駱青業(yè)（1985-），男，碩士，工程師。主要從事航天地面設(shè)備及壓力管道設(shè)計(jì)研究。