李洪亮，胡庭友，曹 凱，劉 闖

(1.中國石油云南石化公司 機(jī)動(dòng)設(shè)備處，云南 昆明 650399；2.中國石油吉林石化公司 乙烯廠，吉林 吉林 132021 ；3.中國石油吉林石化公司 建修公司，吉林 吉林 132021；4.中國石油吉林石化公司 丙烯腈廠，吉林 吉林 132021)

膨脹節(jié)是廣泛應(yīng)用于石油化工設(shè)備與管道上的熱變形補(bǔ)償元件，對(duì)降低設(shè)備和管道的熱應(yīng)力，延長服役壽命發(fā)揮重要作用。隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，大型裝置的膨脹節(jié)也呈現(xiàn)大型化和非標(biāo)設(shè)計(jì)的趨勢(shì)。32萬t/a苯乙烯項(xiàng)目配套的膨脹節(jié)即為大型化的非標(biāo)膨脹節(jié)。在該裝置建成試車過程中，當(dāng)溫度升至260 ℃時(shí)(與設(shè)計(jì)工作溫度還相差很遠(yuǎn))，膨脹節(jié)出現(xiàn)了嚴(yán)重的失效現(xiàn)象。該膨脹節(jié)位于苯乙烯裝置中反應(yīng)器與蒸汽過熱裝置之間。試車過程中，膨脹節(jié)內(nèi)并沒有物料。將膨脹節(jié)的保護(hù)板打開后，發(fā)現(xiàn)膨脹節(jié)前后兩端波紋各有兩組鼓起。為確保該膨脹節(jié)長周期安全運(yùn)行，作者針對(duì)國產(chǎn)大型苯乙烯非標(biāo)膨脹節(jié)的失效事故進(jìn)行分析，并對(duì)其失效原因進(jìn)行了有限元模擬，力圖找到此類失效問題的根源以及預(yù)防措施，避免類似情況的發(fā)生。

1 失效情況分析

該膨脹節(jié)直徑為2 590 mm，液壓成型，波殼上共有4個(gè)波峰，兩端與反應(yīng)器連接，膨脹節(jié)材料為SS304H不銹鋼。膨脹節(jié)冷加工成型后進(jìn)行退火處理。根據(jù)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)工藝包中膨脹節(jié)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)的橫向位移值為40 mm，此變量值適用于正常操作，而根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)得到的裝置數(shù)據(jù)，該膨脹節(jié)在22 mm較低的位移情況下就已經(jīng)損壞。同時(shí)，該膨脹節(jié)在正常設(shè)計(jì)的工作條件下是安全的，所以，可以判斷不是設(shè)計(jì)問題導(dǎo)致的失效。

查閱文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)此類膨脹節(jié)的主要失效機(jī)理為金相腐蝕[1]，而該膨脹節(jié)在試車階段即發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，顯然不屬于金相腐蝕所造成的失效。為進(jìn)一步分析膨脹節(jié)失效原因，將膨脹節(jié)雙層波紋管中已經(jīng)鼓起來的外層切割出一個(gè)開口，見圖1和圖2。由圖1、圖2可以看到，內(nèi)層波紋管也出現(xiàn)了嚴(yán)重的變形，沿著波紋的周向方向成波浪狀，屬于明顯的外壓失穩(wěn)失效形式。結(jié)合內(nèi)外層波紋管的失效情況可以判斷，在兩層之間有高壓氣體產(chǎn)生，使外層波紋管向外鼓起，內(nèi)層波紋管受壓力失穩(wěn)失效。為了驗(yàn)證此判斷，對(duì)內(nèi)外層波紋管的失效情況進(jìn)行有限元模擬。

圖1 膨脹節(jié)實(shí)際失效圖片

圖2 波紋管失效圖片

2 膨脹節(jié)失效有限元分析

2.1 外層波紋管失效有限元模擬

2.1.1 幾何模型和有限元模型

苯乙烯膨脹節(jié)筒體內(nèi)徑為2 590.8 mm，筒體壁厚為16 mm，波紋管曲率半徑為45 mm，壁厚為2 mm，外層保溫層厚度為200 mm，內(nèi)層保溫層厚度為125 mm，其它尺寸見圖3。

圖3 膨脹節(jié)尺寸

根據(jù)波紋管的失效情況，建立波紋管有限元模型進(jìn)行分析，根據(jù)對(duì)稱性取一半波紋管進(jìn)行實(shí)體建模，見圖4。采用三維實(shí)體等參元Solid186[2]。該膨脹節(jié)升溫到260 ℃時(shí)發(fā)生了失效，由失效情況推斷定性為汽錘失效。當(dāng)溫度為260 ℃時(shí)，水的飽和蒸汽壓為4.69 MPa。為了模擬外層波紋管受蒸汽內(nèi)壓作用向外鼓起，在一個(gè)波谷處對(duì)內(nèi)外層波紋管的層間隙施加一個(gè)小于該溫度下飽和蒸汽壓的壓力來模擬較為合理，故取內(nèi)壓4 MPa為例進(jìn)行計(jì)算。

圖4 波紋管有限元模型

2.1.2 材料性能

波紋管的材料為SS304H，其屈服強(qiáng)度為207 MPa，抗拉強(qiáng)度520 MPa，許用應(yīng)力為180 MPa。本構(gòu)關(guān)系采用隨溫度變化的雙線性隨動(dòng)硬化彈塑性模型，且假定材料屈服后的強(qiáng)化模量E′是屈服前彈性模量E的十分之一，即令E′= 0.1E，見圖5。

圖5 雙線性強(qiáng)化本構(gòu)關(guān)系模型

材料的熱物理和力學(xué)性能[3]均與溫度有關(guān)，在密度為8 000 t/m3、熔點(diǎn)1 430 ℃、抗拉強(qiáng)度σb=520 MPa，不同溫度下S304H的熱物理和力學(xué)性能見表1。

表1 不同溫度下S304H的熱物理和力學(xué)性能

2.1.3 載荷與邊界條件

根據(jù)外層波紋管失效情況，建立波紋管的有限元模型，根據(jù)對(duì)稱性取一半波紋管建模。為了模擬外層波紋管受內(nèi)壓作用向外鼓起，在一個(gè)波谷處對(duì)內(nèi)外層波紋管施加4 MPa的壓力，波紋管兩端施加固定約束，對(duì)稱面施加對(duì)稱約束，邊界條件見圖6。

圖6 邊界條件

2.1.4 計(jì)算結(jié)果

內(nèi)壓下外層波紋管失效模擬計(jì)算結(jié)果見圖7。

p/MPa

p/MPa圖7 內(nèi)壓下外層波紋管失效模擬

由圖7可以看出，在承受4 MPa內(nèi)壓的情況下，波紋管已經(jīng)發(fā)生了嚴(yán)重的變形，外層波紋管變形鼓起，變形程度與實(shí)際失效的情況幾乎一致。此時(shí)的最大應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到了798 MPa，并且達(dá)到該應(yīng)力值范圍很大，可以看到有很大一片深色高應(yīng)力區(qū)域。由外層波紋管的失效情況可以推斷，兩層波紋管之間有大于4 MPa的壓力存在。

2.2 內(nèi)層波紋管失穩(wěn)失效有限元模擬

在國內(nèi)外眾多的膨脹節(jié)設(shè)計(jì)手冊(cè)和標(biāo)準(zhǔn)中，都給出了膨脹節(jié)失穩(wěn)的計(jì)算公式，但這些失穩(wěn)計(jì)算公式都是適用于內(nèi)壓情況下的，該膨脹節(jié)在設(shè)計(jì)中也進(jìn)行了內(nèi)壓失穩(wěn)校核，得以通過。很少有標(biāo)準(zhǔn)提到過外壓情況下的膨脹節(jié)失穩(wěn)，該苯乙烯膨脹節(jié)的內(nèi)層波紋管失效形式就是典型的外壓失效。由于該膨脹節(jié)失效主要集中在波紋管的兩個(gè)波段，并且計(jì)算外壓失效的屈曲分析需要考慮整個(gè)波紋管，模型不能考慮對(duì)稱性，為了簡化模型，只取波紋管的兩個(gè)波峰進(jìn)行建模計(jì)算，有限元模型見圖8。

圖8 內(nèi)層波紋管失穩(wěn)有限元模型

對(duì)于該膨脹節(jié)的失穩(wěn)是指當(dāng)其承受的載荷超過某一臨界值時(shí)突然失去原有幾何形狀的現(xiàn)象，失效照片中可以看到，波紋管已經(jīng)變成波浪狀的形態(tài)，變形非常明顯。ANSYS可以對(duì)波紋管進(jìn)行穩(wěn)定性分析，得到失穩(wěn)時(shí)的臨界壓力。進(jìn)行屈曲分析時(shí)，通常首先進(jìn)行特征值屈曲分析，然后參考其分析結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性屈曲分析并最終確定結(jié)構(gòu)的臨界載荷。作者利用ANSYS非線性屈曲，分別對(duì)該膨脹節(jié)前十階失穩(wěn)模態(tài)和所對(duì)應(yīng)的臨界壓力進(jìn)行分析，見表2和圖9。

表2 臨界壓力

由表2可以看出，每階模態(tài)的失穩(wěn)壓力都非常相近，但失穩(wěn)的形態(tài)卻非常不同。

a 第一階失穩(wěn)模態(tài)

b 第二階失穩(wěn)模態(tài)

c 第三階失穩(wěn)模態(tài)

d 第四階失穩(wěn)模態(tài)

e 第五階失穩(wěn)模態(tài)

f 第六階失穩(wěn)模態(tài)

g 第七階失穩(wěn)模態(tài)

h 第八階失穩(wěn)模態(tài)

i 第九階失穩(wěn)模態(tài)

j 第十階失穩(wěn)模態(tài)圖9 膨脹節(jié)前十階失穩(wěn)模態(tài)

由圖9可以看到當(dāng)外壓達(dá)到3.8 MPa時(shí)，膨脹節(jié)進(jìn)入到臨界失穩(wěn)狀態(tài)。由圖9g和圖9 h可以看出，當(dāng)外壓達(dá)到4 MPa時(shí)，失穩(wěn)形態(tài)與實(shí)際的失效狀況非常接近。

3 分析與討論

從外層波紋管和內(nèi)層波紋管有限元失效模擬中可以看出：外層波紋管受4 MPa內(nèi)壓時(shí)，波紋管已經(jīng)發(fā)生了嚴(yán)重的變形，變形程度與實(shí)際失效的情況幾乎一致；內(nèi)層波紋管外壓達(dá)到4 MPa時(shí)，失穩(wěn)形態(tài)與實(shí)際的失效狀況非常接近。由此可以認(rèn)為在內(nèi)外兩層波紋管中間產(chǎn)生了大概約4 MPa的較強(qiáng)壓力，使外層波紋管鼓起，內(nèi)層波紋管失穩(wěn)失效。失效現(xiàn)象是在膨脹節(jié)試車加溫到260 ℃時(shí)發(fā)生的，可以判斷波紋管內(nèi)外層之間有水存在，在升溫的過程中迅速汽化，由于兩層波紋管幾乎是直接接觸的，汽化的水蒸氣在狹小的空間內(nèi)無處釋放產(chǎn)生很大的壓力導(dǎo)致膨脹節(jié)失效。在事后的檢測(cè)過程中，確實(shí)發(fā)現(xiàn)通過吹掃裝置口進(jìn)入了兩層波紋管之間少量的水，導(dǎo)致了嚴(yán)重的汽錘失效。

4 預(yù)防措施及效果

有限元模擬結(jié)果與實(shí)際失效情況很吻合，說明即使是很少量的水或液體在這種雙層波紋管膨脹節(jié)內(nèi)也會(huì)引起很嚴(yán)重的失效后果。在此，采取兩條預(yù)防措施：(1)吹掃膨脹節(jié)裝置入口處，需要嚴(yán)格監(jiān)控裝置的密閉性；(2) 進(jìn)行吹掃作業(yè)的時(shí)候，需要對(duì)吹掃氣體的干燥程度進(jìn)行檢測(cè)，較濕潤的氣體也會(huì)對(duì)其造成嚴(yán)重影響。

發(fā)生膨脹節(jié)汽錘失效后，對(duì)波紋管進(jìn)行了更換，經(jīng)過了長時(shí)間的運(yùn)行后，膨脹節(jié)一直處于較穩(wěn)定的工作裝備，沒有再次出現(xiàn)過此類問題。準(zhǔn)確的失效分析結(jié)果為其長周期安全運(yùn)行提供了保障。

5 結(jié) 論

大型苯乙烯膨脹節(jié)失穩(wěn)失效是由于兩層波紋管之間少量的水汽化導(dǎo)致了嚴(yán)重的汽錘失效引起的。對(duì)于這種兩層波紋管的膨脹節(jié)，在操作過程中一定要嚴(yán)格監(jiān)控波紋管夾層中間是否有液體存在，即使很少量的液體，迅速汽化都能導(dǎo)致膨脹節(jié)完全失效。

參 考 文 獻(xiàn)：

[1] 蔣利軍,馬小明.苯乙烯裝置膨脹節(jié)失效分析及采取的措施[J].石油化工腐蝕與防護(hù),2006,23(1)：31-35.

[2] 余偉煒,高炳軍，等.ANSYS 在機(jī)械與化工裝備中的應(yīng)用[M].北京：中國水利水電出版社,2007：13-15.

[3] 潘家禎.壓力容器材料實(shí)用手冊(cè)：碳鋼及合金鋼[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2000：356-357.