波紋管膨脹節(jié)在熱管道中破損原因分析及解決辦法

程永新

(中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院，武漢市，430071)

0 引言

熱力管道中輸送具有一定壓力和溫度的蒸汽時(shí)，受管道熱伸長(zhǎng)或溫度應(yīng)力作用，可能造成管道變形或破壞。為此，需要在管道上設(shè)置膨脹節(jié)，以補(bǔ)償管道的熱伸長(zhǎng)，從而減少管壁的應(yīng)力和作用在閥件或支架結(jié)構(gòu)上的作用力。

波紋管膨脹節(jié)由1個(gè)或幾個(gè)波紋管及結(jié)構(gòu)件構(gòu)成，用來(lái)吸收由于熱脹冷縮等原因引起的管道或設(shè)備尺寸變化。由于其具有補(bǔ)償性能良好、使用與維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于大口徑的供熱管網(wǎng)，作為主要的補(bǔ)償設(shè)施［1-2］。本文對(duì)波紋管膨脹節(jié)在熱網(wǎng)中的應(yīng)用進(jìn)行探討。

1 問(wèn)題的提出

某熱電廠供熱管道設(shè)計(jì)參數(shù)為螺旋縫電焊管φ820 mm×10 mm，管道材質(zhì)為Q235-A，設(shè)計(jì)壓力為0.981 MPa，設(shè)計(jì)溫度為259℃。結(jié)合熱力管道的現(xiàn)場(chǎng)情況，選擇了內(nèi)外壓平衡型波紋膨脹節(jié)。這種膨脹節(jié)帶有旁通的新型補(bǔ)償器，該補(bǔ)償器利用流體力學(xué)平衡原理，可消除管道的內(nèi)壓力對(duì)固定支架的作用力，給管網(wǎng)設(shè)計(jì)和施工帶來(lái)很大的方便，并且降低土建工程造價(jià)。該膨脹節(jié)的參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 膨脹節(jié)技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters for expansion joint

本工程的供熱管道安裝了1個(gè)16YDH800-J型、2個(gè)16YZYPD800-J型波紋管膨脹節(jié)。在機(jī)組試運(yùn)行時(shí)，2個(gè)16YZYPD800-J內(nèi)外壓平衡型波紋膨脹節(jié)脹裂損壞，導(dǎo)致機(jī)組停運(yùn)?，F(xiàn)場(chǎng)情況如圖1，波紋管的外表面因脹裂被拉長(zhǎng)、拉桿被拉斷、耳板脫裂，導(dǎo)致膨脹節(jié)嚴(yán)重?fù)p壞。

圖1 膨脹節(jié)損壞Fig.1 Damage of expansion joint

2 原因分析

2.1 管線布置

管線根據(jù)既要保證管系安全可靠，又要節(jié)約投資的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。在管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，選擇波紋管膨脹節(jié)時(shí)，首先應(yīng)選擇固定點(diǎn)。借助于固定點(diǎn)，不管任何復(fù)雜的管系，都可以劃分為形狀相對(duì)簡(jiǎn)單、一定數(shù)量的單個(gè)膨脹管段，即直管段、“L”形彎管段、“Z”形彎管段等［3］。因整個(gè)供熱管網(wǎng)較復(fù)雜，現(xiàn)以出現(xiàn)問(wèn)題的直管段為例進(jìn)行分析，其管道的平面布置如圖2所示，101、106為固定支架，105為導(dǎo)向支架，其余均為滑動(dòng)支架。

圖2 熱管道布置Fig.2 Layout of heating pipeline

根據(jù)典型管段中波紋管膨脹節(jié)的布置原則［4］，在2個(gè)固定點(diǎn)支架中只設(shè)置1個(gè)膨脹節(jié)，用于吸收此直管段的軸向位移［5］。膨脹量的計(jì)算公式為

式中:ΔL為管道熱伸長(zhǎng)量，mm;L為2個(gè)固定支架間的距離，m;α為管道的線膨脹系數(shù);t1為管道設(shè)計(jì)安裝溫度，℃;t2管道內(nèi)介質(zhì)溫度，℃。

根據(jù)式(1)可知，管道軸向膨脹量為136 mm。從表1中可知，此處膨脹節(jié)的允許軸向補(bǔ)償量為190 mm，足夠滿足此直管段的熱補(bǔ)償要求。所以，膨脹節(jié)破損不是因管線布置不合理而引起的。

2.2 安裝問(wèn)題

事故發(fā)生后，查看了現(xiàn)場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)101號(hào)固定支架向右側(cè)偏移，以致混凝土結(jié)構(gòu)生根面連同預(yù)埋件一起脫離。

合理設(shè)計(jì)的管路系統(tǒng)中，支架是保證波紋管膨脹節(jié)正常發(fā)揮作用的必要條件。作用于固定支架上的作用力有3種，包括摩擦力、彈性力及內(nèi)壓反作用力［6-7］。結(jié)合本工程，查看了此管系的應(yīng)力計(jì)算書(美國(guó)SIMFLEXS管道應(yīng)力分析軟件計(jì)算數(shù)據(jù))，可知各點(diǎn)的荷載及熱位移值，見(jiàn)表2。表中:x方向，向右為正;y方向，向上為正。

計(jì)算固定支架的推力時(shí)，應(yīng)分別計(jì)算工作條件下和在試壓條件的推力，取其最大值作為土建設(shè)計(jì)的依據(jù)。查看土建管架的設(shè)計(jì)圖紙，可知:本工程的熱網(wǎng)在結(jié)構(gòu)上雖然滿足了表2中的荷載要求，但在施工時(shí)，管架結(jié)構(gòu)頂面處預(yù)埋件未按要求施工，設(shè)置錨筋的數(shù)量未達(dá)設(shè)計(jì)要求，導(dǎo)致此處固定支架沒(méi)有真正起到固定作用，因而當(dāng)管道升溫后，破壞了管系的受力平衡，這是本例事故發(fā)生的主要原因之一。

表2 受力計(jì)算Tab.2 Force calculation

2.3 制造問(wèn)題

對(duì)于多層波紋管而言，如設(shè)計(jì)考慮不周，制造工藝控制不嚴(yán)，焊接質(zhì)量及工作應(yīng)力引起的疲勞都會(huì)引發(fā)一系列的失效問(wèn)題。查看本工程中已損壞的膨脹節(jié)，發(fā)現(xiàn)圖3中圓圈處焊接不牢，導(dǎo)致此處脫節(jié)。因?yàn)楫?dāng)內(nèi)部有壓力的時(shí)候，左邊的波紋管受內(nèi)壓作用有伸長(zhǎng)的趨勢(shì)，里面的波紋管受外壓作用呈縮短的趨勢(shì)，這時(shí)在圖3所示圓圈處的焊接部位就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)向左拉，一個(gè)向右拉的受力點(diǎn)，當(dāng)此處焊接強(qiáng)度未能滿足要求時(shí)，會(huì)導(dǎo)致左邊的波紋管在內(nèi)壓的作用下脹裂。若拉桿未拆除的話，甚至?xí)牙瓧U拉斷，本工程就出現(xiàn)了此情況。所以這也是本例事故發(fā)生的主要原因。

3 解決辦法

3.1 加強(qiáng)固定支點(diǎn)

圖3 內(nèi)外壓平衡型波紋膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of bellows expansion joints with internal and external pressure balance

101號(hào)固定支架出現(xiàn)脫落后，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)支架的預(yù)埋件進(jìn)行了加固處理。在原固定支架處，利用鋼板對(duì)生根的結(jié)構(gòu)梁進(jìn)行環(huán)箍焊接。用于管部的支架鋼管直接焊接在鋼板上，保證焊縫的高度滿足要求。因軸向型波紋管補(bǔ)償器對(duì)固定支座產(chǎn)生壓力、推力，造成固定支座推力大，所以固定支架必須有足夠的強(qiáng)度，以保證膨脹節(jié)不受破壞。導(dǎo)向支架必須有足夠的導(dǎo)向性，否則影響管線位移的傳遞。

3.2 膨脹節(jié)焊接加強(qiáng)板

在膨脹節(jié)內(nèi)部的關(guān)鍵焊接部位采用加強(qiáng)板進(jìn)行加固處理，如圖4所示。

圖4 內(nèi)外壓平衡型波紋膨脹節(jié)加固結(jié)構(gòu)Fig.4 Reinforcement structure of bellows expansion joints with internal and external pressure balance

波紋管成型工藝有整體液壓成型、滾壓成型、機(jī)械脹型等，無(wú)論哪種成型方法對(duì)不銹鋼材料來(lái)說(shuō)，均存在冷作加工變形及加工硬化。因此，未經(jīng)固熔化熱處理及已進(jìn)行固熔化熱處理的波紋管的強(qiáng)度校核指標(biāo)問(wèn)題，是波紋管膨脹節(jié)設(shè)計(jì)制造廠家值得研究的問(wèn)題。本例事故并不完全排除因設(shè)備制造質(zhì)量造成失效而引發(fā)的。

3.3 安裝注意事項(xiàng)

(1)除設(shè)計(jì)要求預(yù)拉伸(壓縮)或“冷緊”的預(yù)變形量外，不能用波紋膨脹節(jié)壓縮、拉伸、偏移、扭轉(zhuǎn)等方法來(lái)調(diào)整管段的安裝偏差，以免影響膨脹節(jié)的正常功能，降低使用壽命和增加管系、設(shè)備及支架的荷載。建議管系上的配對(duì)法蘭保留到就位后焊接。

(2)安裝時(shí)如果需要焊接，必須保護(hù)波紋管表面，防止焊接飛濺物和引弧燒傷波紋管，通常可用中性濕石棉保護(hù)。

(3)當(dāng)膨脹節(jié)被正確固定和導(dǎo)向后，應(yīng)拆除膨脹節(jié)上用于安裝運(yùn)輸?shù)妮o助定位構(gòu)件及緊固件，或按設(shè)計(jì)要求將限位裝置調(diào)到規(guī)定位置。本工程中，換上新的膨脹節(jié)后拆卸了拉桿，運(yùn)行良好。

(4)水壓試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)對(duì)裝有膨脹節(jié)管路端部的次固定架進(jìn)行加固，使管路不發(fā)生移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)［8-9］。

3.4 膨脹節(jié)合理選型

在設(shè)計(jì)中配合工藝設(shè)計(jì)、管道布置，首先選擇固定管道的位置，借助于固定點(diǎn)，將復(fù)雜的管系劃分為簡(jiǎn)單的、一定數(shù)量的單個(gè)膨脹管段，再計(jì)算出這些管段的軸向位移、橫向位移和角位移，然后根據(jù)管內(nèi)流動(dòng)的介質(zhì)、壓力、溫度、位移量、工程外部條件等選擇合適的膨脹節(jié)。

4 結(jié)語(yǔ)

波紋管膨脹節(jié)之所以能夠在熱網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用，除具有良好的補(bǔ)償能力之外，可靠性高是主要原因。其可靠性是通過(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)致膨脹節(jié)壽命的降低甚至失效。建議設(shè)計(jì)院、制造廠、安裝及用戶單位有必要開(kāi)展一些技術(shù)交流工作，以便更全面掌握波紋管膨脹節(jié)設(shè)計(jì)、安裝技術(shù)，從而在進(jìn)行管網(wǎng)設(shè)計(jì)、膨脹節(jié)選型計(jì)算和布置、組織施工等方面，做到管網(wǎng)安全、經(jīng)濟(jì)、合理，杜絕安全事故產(chǎn)生。

［1］GB/T 12777—2008金屬波紋管膨脹節(jié)通用技術(shù)條件［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

［2］GB/T 12522—2009不銹鋼波形膨脹節(jié)［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

［3］查爾斯·貝赫特.工藝管道ASME B31.3實(shí)用指南［M］.陳登豐，秦叔經(jīng).北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006:221-230.

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