膨脹節補償及支架脫空失效的原因分析

楊勝昆

1 前言

隨著余熱發電技術的不斷發展和進步，鋼鐵、水泥等行業的余熱綜合利用水平顯著提高，不僅給企業帶來了經濟效益，更為保護人類的生存環境、保障經濟社會的可持續發展做出了重要貢獻。余熱發電技術在鋼鐵、水泥等行業的應用，主要是利用原生產工藝流程中的余熱廢氣，通過熱風管道將熱源輸送到鍋爐產生蒸汽，進行發電。因受限于原生產線的場地、空間條件，熱風管道的布置繁簡各異。同時受溫度的影響，必然存在管線熱膨脹變形的情況，因此，正確選用波紋膨脹節是保證生產工藝流程和余熱發電系統正常運行的關鍵。

2 膨脹節設計資料

2.1 膨脹節設計條件

某余熱發電項目SP鍋爐入口膨脹節，直徑為DN2600，介質為含水泥生料粉塵廢氣，設計壓強：10kPa，設計溫度：300℃；軸向補償量：60mm，橫向補償量：60mm；產品總長L=950mm；膨脹節旁滑動支架埋件允許載荷為10t。

2.2 膨脹節設計參數

該膨脹節選用小拉桿軸橫向型膨脹節，接口尺寸為?2 620mm×6.0mm，波距80mm，波高80mm，壁厚1.5mm×1層，波數：2波/節×2節；中間接管長350mm，端接管長140mm，產品總長950mm；整體軸向剛度776N/mm，整體橫向剛度12 301N/mm；波紋材料06Cr19Ni10，接管材料為Q345B。

2.3 膨脹節設計制造結構圖

DN2600EJ01小拉桿軸橫向型膨脹節的設計按照膨脹節設計條件進行，沒有考慮剛度及疲勞壽命的影響，原膨脹節結構圖見圖1。

2.4 管道膨脹節及支架布置

圖1 原膨脹節結構圖

原生產線煙風管道為DN3000垂直安裝，節點10及節點70為固定支架，兩固定支架間原安裝有DN3000軸向型膨脹節，從40節點處引入45°斜三通作為取風點，在DN2600煙風斜管上安裝有電動百葉閥、DN2600膨脹節、滑動支架、135°彎頭等，最終到SP鍋爐進口。原管道膨脹節及支架布置見圖2。

3 膨脹節補償及支架脫空失效分析

某水泥廠余熱發電項目，SP鍋爐入口煙風斜管及小拉桿膨脹節、滑動支架等部件，在停窯期間安裝完畢。當水泥窯啟動至正常生產狀態時，現場工程師檢查發現，DN2600EJ01膨脹節幾乎沒有補償，失去橫向補償作用；鍋爐入口上端135°彎頭有較大變形；節點150處滑動支架與支座脫離，脫空大約50～60mm。

按照膨脹節設計參數，對選用的小拉桿軸橫向型膨脹節波紋管重新設計校核，經理論計算表明，膨脹節波紋管的承壓強度及穩定性均滿足要求，但波紋管的橫向剛度較大。

圖2 原管道膨脹節及支架布置

由于與SP鍋爐入口連接的原生產線煙風管道垂直向上熱膨脹，引起SP鍋爐入口煙風斜管向上被拉起約60mm，使滑動支架與支座脫離。

參照膨脹節設計條件及圖2管道膨脹節及支架布置圖，采用CAESARⅡV2016軟件對整條管線進行應力分析，原方案應力分析模型見圖3；各節點熱位移見表1，150節點受力見表2。

表1中，110-120節點為膨脹節中間接管，Rz=0.354 2°，中間接管幾乎沒有轉動，膨脹節沒有發生橫向位移；158節點為135°彎頭，Rz=0.178 7°，彎頭產生轉動變形。

表1中，150節點為滑動支架，節點熱位移Dy=71.364mm；表2中，150節點在操作OPE熱態工況下Fx=0，Fy=0。

從表1、表2可以看出，由于膨脹節整體橫向剛度12 301N/mm較大，SP鍋爐入口煙風斜管較長，其管線橫向柔性較好，使得膨脹節失去補償作用，煙風斜管自然補償，使135°彎頭變形較大，150節點處滑動支架脫空60mm，管線運行產生的問題與理論分析的結果基本一致。

表1 各節點熱位移情況

表2 150節點受力情況

圖3 原方案管線應力分析模型

4 改進措施

4.1 膨脹節設計改進措施

膨脹節經重新設計制造修改為?2 620mm×6.0mm，波距80mm，波高80mm，壁厚0.8mm×2層，波數：3波/節×2節；中間接管長540mm，端接管長140mm，產品長度修改為1 300mm；則整體軸向剛度175N/mm，整體橫向剛度1 122N/mm，疲勞壽命N=1 150次；改進后膨脹節制造結構圖見圖4。

4.2 滑動支架脫空改進措施

因SP鍋爐入口煙風管道沿45°傾斜安裝，為確保煙風斜管工作穩定，將滑動支架修改為沿圓周方向的導向支架（即GB/T 17116.2中雙向限位支架），導向支架間隙為2mm。改進后管道膨脹節及支架布置見圖5。

圖4 改進后膨脹節結構圖

將改進后的膨脹節及導向支架按照圖5采用CAESARⅡV2016軟件重新進行管線應力分析，應力分析模型見圖6；各節點熱位移情況見表3，150節點受力情況見表4。

表3中110-120節點為膨脹節中間接管，Rz=3.722 4°，158節點為135°彎頭，Rz=0.011 9°。

圖5 改進后管道膨脹節及支架布置

表3 各節點熱位移情況

表4 150節點受力情況

表4中，150節點導向支架在操作OPE熱態工況下Fx=26 047N，Fy=26 047N，合力F=36 836N，滿足支架埋件載荷10t要求。

圖6 改進后管線應力分析模型

5 結語

該余熱發電項目SP鍋爐入口煙風管道經短期整改后，運行至今一年多來，一切正常。管系設計者在進行管系設計及波紋膨脹節選型時，應特別注重膨脹節各項參數的準確性，包括合理的膨脹節安裝長度、補償量、剛度、疲勞壽命、材質等，以及與所選膨脹節相配套的合理支架類型，確保整個管系安全可靠、長期穩定運行。