壓力容器用膨脹節疲勞失效分析及對策

梁潞華，任大為

（天脊煤化工集團股份有限公司，山西 潞城 047507）

波形膨脹節（bellows expansion joint）又稱波形補償器，其是由波紋管和其他零件組成。其中，波紋管是一柔性件，膨脹節的補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。

天脊集團的生產裝置經過二十多年的運行、生產，多數設備早已超出設計使用年限，潛在的安全隱患也逐漸暴露出來，為了保持裝置的正常運轉，避免停車事故的出現，需要及時對老化的設備進行維修、更換。波形膨脹節作為在部分容器及換熱器上使用的重要零部件，用于補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備的正常運轉，但膨脹節的使用壽命比較短暫，因為作為補償元件，膨脹節中的波紋管在超過其材料的屈服極限的高應力下工作，波紋管每變位一次，都不能恢復其原來的自由長度而有殘余變形存在，這樣的往復循環，殘余變形積累到一定程度，波紋管就會發生破壞，它的壽命也就會隨即終止。

天脊復肥廠P-EA107（NP蒸發器）膨脹節現階段已經發生疲勞破壞，造成設備內蒸汽外泄，泄漏部位主要發生在由兩半波零件焊接構成的波紋管的波峰焊接連接處，雖然蒸汽泄漏量不大，設備還能勉強維持運轉，但由于波紋管已經遭受破壞，補償能力部分喪失，造成設備壓力損失，若不及時處理，可能會損壞設備其他關鍵部位，導致更加嚴重的后果，同時顯現出來的安全問題也提醒要盡快更換已經破壞的膨脹節。但在更換膨脹節前，需要對先前元件破壞的原因進行分析、比對，結合實際使用情況選擇使用更加合理的膨脹節，最終通過元件的改型，延長它的使用壽命，并在壽命期限內保證膨脹節能安全可靠地使用，達到真正更換合理的目的。

1 NP蒸發器用膨脹節介紹及失效分析

1.1 膨脹節介紹

復肥P-EA107（NP蒸發器）屬國外引進設備，所用波形膨脹節為多波多層結構。通過查閱相關資料，此種膨脹節在圖紙上并沒有詳細設計尺寸，也沒有給出所依據的國外相關設計和制造標準。通過比對其結構形式，與國內標準GB16479-1997《壓力容器波形膨脹節》中的ZX型膨脹節（整體成型小波高膨脹節）相類似。此種膨脹節具有撓性好，補償變形能力強的特點。

設備經過長期運轉，原有膨脹節因為疲勞失效，早在多年前已被更換為國內制造的產品，由于無法找到產品的相關資料，具體設計校核數據及相關結構尺寸無從得知，通過現場觀察、了解，在用產品為單波單層結構，屬于GB16479-1997《壓力容器波形膨脹節》中的HF型膨脹節（膨脹節由兩半波零件焊接而成）。此種膨脹節具有制作工藝簡單，成本低的特點，廣泛用于容器設備中。（HF型及ZX型如圖1、圖2所示）。

圖1 HF型膨脹節

圖2 ZX型膨脹節

1.2 膨脹節失效分析

經過調查，最初由于從國外引進整套設備，膨脹節的設計、制造及檢驗均遵循國外相關標準，產品的加工制造工藝優于國內水平，能完好的與NP蒸發器相互配合，在使用功能上可以很好的補償由溫差引起的軸向位移，使用壽命能同時滿足設計年限要求。而之后更換的國產膨脹節，使用壽命并不長久，過早的出現疲勞破壞。

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

（1）結構形式的差別：波紋管層數不同，國外膨脹節為多層結構，國內現用產品為單層結構（單層結構如圖3所示）。分析兩種形式的膨脹節，各有特點，但前者總體性能上優于后者。

多層結構：撓性好，補償變形能力強；可承受較高能級的動載荷和相應的疲勞壽命要求；結構緊湊，節省材料，占用空間相對要小；高壓情況下使用安全，它不會各層同時突然爆裂，不具有威脅力。但是，制造時需要充分注意各層間的貼合品質。

單層結構：制作簡單，成本低。一般在靜載荷下對設備起位移補償作用，在保證設計要求的承壓能力、補償量、剛度和疲勞壽命的前提下，應優先選用。

選用單層膨脹節，雖然通過設計計算，可以滿足各種要求，但是現場的操作環境對產品的要求更加苛刻，臨時出現的多種復雜情況可能會超出膨脹節的設計使用能力（如承壓能力、補償量等），這些情況的發生都會縮短膨脹節的使用壽命，導致產品過早的出現疲勞破壞，失去補償功能。

圖3 單層膨脹節

（2）焊縫品質：由于疲勞裂紋多發生在焊縫或焊縫附近，如果品質控制不好，會嚴重影響產品的使用壽命。通過觀察，現用膨脹節泄漏部分發生在焊縫及焊縫附近，因此，焊縫品質是影響膨脹節壽命的重要因素之一。

（3）成形偏差：有資料表明，波紋管10%的厚度公差就會產生21%的壓力彎曲應力的變化，進而影響壽命。波峰、波谷的曲率加大或減小均會改變設計應力水平。

雖然無法對在用膨脹節的成形偏差進行實測，判斷在制造過程中如果沒有很好的控制偏差是否會改變設計應力水平，但是作為可能出現的導致產品壽命縮短的因素，我們應當多加考慮，在設計時應按照國家標準確定材料的成形減薄量，在制造加工時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品壽命產生的影響。

（4）表面品質：波紋管表面有凹陷、劃痕將影響產品使用壽命。膨脹節在制造加工、運輸及安裝過程中，都有可能造成波紋管表面品質的損害（如劃痕，凹坑及凹凸不平），而這些損害會產生附加的應力集中，在應力集中處會加速破壞，導致膨脹節的使用壽命終結。由于現場在用膨脹節裸露在外，環境中大量的粉塵覆蓋其上，無法觀察到膨脹節的表面品質，但是這個因素不容忽視，在制造加工、運輸及安裝等各個環節都應注意避免損害波紋管。

以上幾方面因素共同作用，并發生、發展，導致膨脹節的使用壽命大大縮短，過早地出現了疲勞破壞的現象。

2 解決辦法

膨脹節最終發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，延長膨脹節的使用壽命，避免過早的出現破壞，保證膨脹節在規定的使用循環次數內能安全可靠的運行。

針對上面提到的四點原因，采取相對應的解決辦法：

（1）膨脹節單層結構具有制作簡單、成本低的優勢，如能保證設計要求，應優先選用單層結構，但是多層結構的補償變形能力與強度更好，疲勞壽命更高，國外有資料指出：多層結構的疲勞壽命一般為同幾何參數單層結構的6倍左右。

選用不同結構的膨脹節應考慮多種因素，總體上應具有一定的優勢，才值得改型、替換。復肥P-EA107膨脹節結構最初是多層結構，后改用單層結構，通過對比可以看出單層結構的補償效果并不是很好，多層結構要優于單層結構，更適宜在此容器上使用。價格方面也許稍貴，但能更長久使用，應是經濟合理的。

對于采用單波還是多波結構，是通過設計計算得出的，軸向位移引起的應力過大時，通常可以增加波數，避免膨脹節遭到破壞。根據現場出現問題，分析可得現用的單波膨脹節并不能滿足設備的伸縮需要，在進行改型、更換時應嚴格按照標準進行設計，計算得出波數，確保滿足補償要求。

（2）焊縫品質會影響膨脹節的使用壽命，因而要限制焊縫的余高，不應超過母材厚度的10%，并且表面要打磨，焊接應有完整的焊接工藝規程，焊縫要求表面不得有裂紋、氣孔、夾渣等缺陷，焊接過程中應采取有效保護措施，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，一般當Dw/Do=1.55~1.10時，其實際減薄量接近計算減薄量。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，是保證膨脹節設計壽命的重要因素。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，避免產生附加應力集中。這要求波紋管表面不得有大于鋼板負偏差的劃痕、凹坑或凹凸不平。而對小于鋼板負偏差的劃痕、凹坑或凹凸不平，需要修磨圓滑。

為保證在運輸過程中不損壞波紋管，應采取有效的保護措施。對于無約束的膨脹節，應設有裝運桿，對波紋管外露的膨脹節，可根據需要設計外護套，以免波紋管碰傷；安裝時禁止用扳手、手錘等敲擊膨脹節；起吊時載荷起吊位置應在端管上，不應置于波紋管處；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波紋管表面品質，利于產品長久、有效、安全地使用。

3 結束語

分析膨脹節疲勞破壞的目的，是為了更好的保證產品達到設計使用壽命，并在使用期限內安全可靠的完成其用于補償變形的功能。美國軍標“管道用金屬波紋膨脹節”就認為膨脹節在規定的循環次數內能安全可靠的運行才是產品品質的根本，大于規定循環次數之外的循環次數是沒有實際應用價值的。這就給予了我們一個提示，就是在對膨脹節的設計、制造和使用提出要求時，不是單純的要延長膨脹節的使用壽命，最重要的是要保證產品在使用期內安全可靠的運行。

膨脹節的疲勞失效問題涉及到設計、制造、檢驗、運輸、安裝及日后檢修各個方面，它是一個綜合性的問題，如何能讓產品在滿足設計要求的前提下，達到一個最優的狀態來充分發揮其性能，還需要進行更加深入的研究和探討。

[1]GB16479-1997.壓力容器波形膨脹節[S].