耐磨高強度膨脹節的設計與應用

程功

摘要：本文以石化行業汽油吸附脫硫裝置（S Zorb）為背景，分析研究了固體顆粒環境下膨脹節的故障原因，在國標通用性結構的基礎上進行了反復的設計改造，最終得到一種耐磨高強度的新型膨脹節。設計改造后的膨脹節不僅降低了制造成本，更大大提高了其使用壽命，解決了行業重大難題。

關鍵詞：膨脹節；沖刷；耐磨；長周期

1 概 況

中石化長嶺分公司1#S Zorb（催化汽油吸附脫硫裝置）于2010年11月建成投產，2014年3月檢修，裝置年處理能力由120萬噸擴能至150萬噸。S Zorb裝置接收催化裝置生產的汽油，經深度脫硫后送至油品處調和出廠 ，對提高公司的汽油產品質量、降低汽油產品在使用過程中SO2排放量起到了重要的作用，這些就要求裝置必須做到平穩、高效、長周期。

S Zorb裝置閉鎖料斗系統6臺膨脹節就是用來補償溫度和壓力變化帶來的吸附劑管線的伸縮變形。由于S Zorb裝置吸附劑轉運的特殊性，導致系統溫度、壓力等參數產生周期性波動，在吸附劑的高速沖蝕、管道疲勞破壞等導致膨脹節壽命大大降低，嚴重影響了裝置安全平穩運行，國V汽油升級的要求難以達到。為此必須認真分析S Zorb裝置的自身特點，剖析膨脹節故障原因，找到解決問題、改進優化的措施。

2 膨脹節的故障現象

因S Zorb工藝特殊性，系統溫度、壓力等參數周期、脈沖式波動，系統必須設置膨脹節來補償管線的伸縮變形。S Zorb閉鎖料斗系統共設有6臺膨脹節，見圖1。

從表1和圖2中數據可以看出，膨脹節所處環境的介質波動大，加上吸附劑高強度沖刷，裝置惡劣的使用環境導致膨脹節故障頻發，輕則裝置停工，重則泄漏著火甚至發生爆炸。目前全國30余套S Zorb裝置均存在同樣問題，一直未得到很好的解決，同行業中膨脹節最短使用壽命僅為6個月，吸附劑、催化劑等含固體顆粒環境中的膨脹節故障一直是困擾行業的運行難題。

中石化長嶺分公司1#S Zorb裝置自2010年10月首次開車至今，閉鎖料斗系統膨脹節故障頻發，前后共集中更換過3次，尤其是單式鉸鏈型膨脹節損壞最為嚴重，圖3至圖6為中石化長嶺分公司1#S Zorb膨脹節故障的部分圖片。

同行業中，也有對單式鉸鏈型膨脹節進行過改造，其壽命有所提升，但效果都不明顯，沒有從根本上解決問題。為了保證裝置的安全平穩運行，保證國V汽柴油的升級，我們對S Zorb裝置膨脹節進行了更深、更科學的研究和創新設計。

3 膨脹節故障分析

目前金屬膨脹節主要執行的標準為GB/T 12777-2008（以下簡稱GB12777），該標準中單鉸鏈型膨脹節的結構圖[1]和分解圖如圖9、圖10所示。

膨脹節的主要組成部件有法蘭、波紋管、導流筒。S Zorb膨脹節主要故障部位在導流筒的變徑段，原因有：1）膨脹節的導流筒有變徑喇叭口，易被沖刷。2）GB12777膨脹節的導流筒和法蘭之間為搭接焊，強度低。3）GB12777膨脹節的導流筒為懸臂支撐，穩定性差。4）GB12777膨脹節的導流筒的變徑段，介質為紊流態，沖刷最大（線速高達40m/s），再加上管道閥門開關迅速（1S左右），吸附劑對膨脹節形成類似爆破沖刷，極易導致膨脹節故障。

而GB12777中所述的膨脹節都是通用制件[2]，沒有對固體顆粒環境下增設單獨的型號和品種，這樣就造成了膨脹節和部分裝置的不匹配，導流筒的變徑喇叭口處就一直是受沖刷最薄弱點，導流筒一旦磨穿，膨脹節的波紋管就很快被破壞而發生泄漏。

4 新型膨脹節設計過程

4.1 預想的優化方案

方案1 吸附劑運轉連續化 通過改變工藝條件，減少管道參數的變化，保證溫度、壓力、流量平穩運行，減少介質對膨脹節脈沖式疲勞破壞。

方案2 降低吸附劑在管道的流速 降低吸附劑在管道中的線速來減少吸附劑對膨脹節導流筒和膨脹節等部件的沖蝕力度。

方案3 增大吸附劑顆粒直徑 將目前吸附劑直徑由65μm提升至更高，大顆粒吸附劑降低對膨脹節的沖蝕。

根據磨損率公式1 ε=KVn 、公式2 ε=Kdn 也可證實上述三種方案在一定條件下是可行的。

其中：公式1中ε為磨損率，V為氣速，k和n為常數，n值在1～2之間，磨損率將隨著氣速的增大而增高，而且氣速越高，磨損率增加的速率就越快。

公式2中d為顆粒直徑，k和n為常數，當氣速一定時，磨粒直徑越大，磨損率就越大。

顆粒直徑存影響的極限值約為130μm。

但是S Zorb為國外引進技術，裝置工藝受居多因素影響，如果從工藝優化方向入手，解決難度極大，即使某一方面有所改進優化，其帶來的其它負面影響難以預估。

方案4 升級膨脹節導流筒材質 導流筒原材質為A240-T304，如需升級導流筒材質，可考慮常規耐磨金屬材料，如高錳鋼系列、抗磨鉻鑄鐵系列、耐磨合金鋼系列、奧貝球鐵系列、各類復合或梯度材料及硬質合金材料（如碳化鉻復合材料Cr2C3+Q235）等。但耐磨材料的焊接性能差，且價格昂貴，需權衡考慮。

方案5 增加膨脹節導流筒厚度 導流筒原厚度為1.52mm，可將其厚度適當提高。厚度提高，不僅可以提高導流筒抵抗沖刷的破壞，還可以提高焊接質量。

方案6 提高膨脹節波紋管耐磨性[3] 原波紋管材質為inconel625，是一種以鎳為主要成分的奧氏體超耐熱合金，具有廣泛抗氧化和耐腐蝕的優良特性，耐高溫，亦具有非凡的抗疲勞特性；原波紋管厚度為0.61mm。波紋管主要功能為溫壓補償，如果過度提高耐磨性，其溫壓補償必然受到影響，此處升級空間小。

方案7 膨脹節導流筒做耐磨噴涂 在導流筒內壁噴上耐磨材料，如碳化物等，可以大大增加導流筒耐磨性。噴涂工藝在一定程度上影響導流筒的根部焊接：如果是先噴涂再焊接，焊縫處需做二次噴涂；如果是先焊接再噴涂，將會增加噴涂難度和效果。endprint

方案8 膨脹節導流筒做陶瓷襯里 在導流筒內部襯耐磨陶瓷管，可大大增大導流筒的耐磨性。內襯陶瓷需注意的問題有：導流筒根部焊接質量的把控，制造、運輸、安裝、拆卸過程的保護，防止重力磕碰。一旦陶瓷管受損，導流筒將快速被損壞。

4.2 設計改造的具體方案

我們從膨脹節自身結構特點、系統介質沖刷類型等入手，通過反復研究和實驗，改變了通用膨脹節的基本結構，設計了一種結構簡單、抵抗固體顆粒沖刷的耐磨高強度膨脹節。

方案9：變徑導流筒改為直通管，見圖11。

改進效果：吸附劑對導流筒的沖刷明顯減少。

存在不足：

1）導流筒和法蘭之間為搭接焊，強度低。

2）導流筒懸臂支撐，穩定性差。

3）因去除了變徑喇叭口，導流筒的外徑必須增加，使得導流筒不能穿過整個波紋管，這樣波紋管末端成了一個沖刷薄弱點。

優化方案10：導流筒增加支撐環，見圖12。

改進效果：導流筒外徑達到GB1277的標準，可以穿過整個波紋管，保護作用好，吸附劑沖刷大大減小。

存在不足：

1）導流筒和法蘭之間為搭接焊縫，強度低。

2）導流筒懸臂支撐，穩定性差。

最終優化方案11：導流筒增加支撐筒，見圖13。

最終改進的內容：

1）改變徑導流筒為直通筒。

2）轉移導流筒焊接點至上法蘭頂部，由角焊縫變成穩定的環焊縫，同時焊縫可被墊片內環遮擋保護。

3）導流筒上部增加支撐筒（即增加方案10支撐環的高度），改變了以前懸臂式的不穩定性。

4）增長導流筒至下法蘭頸后，防止吸附劑對波紋管下游焊縫的沖刷。

5 應用效果

該設計改造方案，于2016年8月對2臺磨損的舊膨脹節進行了改造修復，2017年5月進行離線驗證，改造后的膨脹節運行良好：導流筒未見明顯磨痕，波紋管完好，見圖14。

最終的應用效果：

1）與原國標膨脹節相比，本設計的膨脹節壽命可提高2倍以上，保證裝置長周期安全運行。

2）因導流筒改為直通管，焊接點上移，本設計的膨脹節結構更加簡單，加工難度大大降低。

3）因結構更加簡單，本設計的膨脹節制造成本更加低廉。以PN10 DN100的膨脹節為例，單臺成本可降低至少30%；而且本成果膨脹節還可以修復利舊，即可節約成本90%左右。

4）因本成果膨脹節壽命大大提高， 裝置長周期的隱性價值可觀：S Zorb裝置每減少一次停工，至少可降低500萬元的系統費用損失。

責編/魏曉文

參考文獻

[1] 段 玫等.金屬波紋管膨脹節通用技術條件.中國標準出版社秦皇島印刷廠，2008：4-9.

[2] 陳 坤. 壓力管道波紋膨脹節設計制造中若干問題的探討.鍋爐壓力容器安全技術，2001，（5）：12-13.

[3] 邵以華、汪建羽.催化裝置用特殊膨脹節的應用與設計.化工設備與管道，2009，46（6）：45-46.endprint